Приложение
Квантовое сознание?
Несмотря на великолепные успехи в сканировании мозга и высоких технологиях, некоторые утверждают, что мы никогда не раскроем тайны сознания, поскольку сознание выходит далеко за пределы возможностей нашей жалкой техники. С их точки зрения, сознание более фундаментально, чем атомы, молекулы и нейроны, и определяет саму природу реальности. Сознание для них — фундаментальная сущность, из которой соткан материальный мир. И чтобы доказать эту точку зрения, они ссылаются на один из величайших парадоксов науки, бросающий вызов самому определению реальности: парадокс, связанный с котом Шрёдингера. Сегодня не существует общепринятой точки зрения на эту проблему, и даже нобелевские лауреаты занимают разные позиции. Но и цена вопроса велика: на кон ставится ни много ни мало природа реальности и мысли.
Парадокс кота Шрёдингера лежит практически в основании квантовой механики — области науки, благодаря которой возможны лазер, МРТ-сканер, радио и телевидение, современная электроника, GPS и телекоммуникации. От нее зависит мировая экономика. Многие из предсказаний квантовой теории проверены до точности в одну стомиллиардную долю.
Всю свою профессиональную жизнь я работал над квантовой теорией. Да, я понимаю, что это колосс на глиняных ногах. Очень неприятно чувствовать, что работа всей моей жизни основана на теории, фундамент которой составляет парадокс.
В свое время дебаты на эту тему начал австрийский физик Эрвин Шрёдингер, один из отцов-основателей квантовой теории. Вообще-то он пытался объяснить странное поведение электронов, которые норовили продемонстрировать свойства то волны, то частицы. Как может электрон, точечная частица, следовать двум разным моделям поведения? Иногда электроны вели себя как частицы и оставляли хорошо заметный след в камере Вильсона. В других случаях электроны вели себя как волны, проходили сквозь крохотные отверстия и создавали волноподобные интерференционные картины, подобно волнам на поверхности пруда.
В 1925 г. Шрёдингер предложил свое знаменитое волновое уравнение, которое позже было названо его именем, — одно из важнейших уравнений всех времен. Оно сразу же стало сенсацией и в 1933 г. принесло Шрёдингеру Нобелевскую премию. Уравнение Шрёдингера точно описывало волновое поведение электрона, а в приложении к атому водорода прекрасно объясняло его странные свойства. Поразительно, но приложить его можно было к любому атому, причем при помощи уравнения удавалось объяснить большую часть особенностей периодической системы Менделеева. Создавалось впечатление, что вся химия (а значит, и вся биология) является не чем иным, как решениями этого волнового уравнения. Некоторые физики даже утверждали, что вся Вселенная со всеми звездами, планетами и даже с нами не что иное, как решение этого уравнения.
Но затем физики начали задавать вопрос, звучащий актуально даже сегодня: если электрон описывается волновой функцией, то что именно колеблется?
В 1927 г. Вернер Гейзенберг предложил новый принцип, расколовший физическое сообщество надвое. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что одновременно точно знать и положение электрона, и его импульс невозможно. Причем такая неопределенность не зависит от того, насколько грубы ваши инструменты, а изначально заложена в самой физике. Даже Бог или другое какое-нибудь небесное существо не в состоянии знать точное расположение и импульс электрона.
Так что волновая функция Шрёдингера на самом деле описывает вероятность нахождения электрона в данной точке. Ученые тысячи лет пытались устранить всякие случайности и вероятности из своей работы, а теперь вдруг Гейзенбергу вздумалось впустить их с черного хода.
Новую философию можно подытожить примерно таким образом: электрон — точечная частица, но вероятность его нахождения в данной точке задается волновой функцией. А волна эта подчиняется уравнению Шрёдингера и порождает принцип неопределенности.
Физическое сообщество раскололось. С одной стороны, собрались такие физики, как Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, и большинство атомных физиков с готовностью приняли новую формулировку. Почти ежедневно они объявляли о новых прорывах в исследовании свойств вещества. Нобелевские премии вручались, как «Оскары», и одна за другой доставались специалистам по квантовой физике. Квантовая механика потихоньку переходила в разряд руководства к действию. Не нужно было быть великим физиком, чтобы внести поистине звездный вклад: чтобы делать поразительные открытия, достаточно было просто следовать рецептам квантовой механики.
С другой стороны, нобелевские лауреаты старшего поколения, такие как Альберт Эйнштейн, Эрвин Шрёдингер и Луи де Бройль, поднимали философские вопросы. Шрёдингер, с работ которого, собственно, и начался процесс, жаловался: знай он, что его уравнение впустит в физику вероятности, никогда бы не стал вводить его.
Физики затеяли спор, который продлился 80 лет и продолжается до сих пор. С одной стороны, Эйнштейн заявил, что «Бог не играет в кости с миром». С другой стороны, Нильс Бор, как рассказывали, ответил: «Перестаньте указывать Богу, что он должен делать».
В 1935 г. Шрёдингер, пытаясь раз и навсегда покончить с квантовой физикой, предложил свой знаменитый мысленный эксперимент с котом. Помещаем кота в запечатанный ящик вместе с контейнером, содержащим ядовитый газ. Там же, в ящике, находится крохотный кусочек урана. Атом урана нестабилен и при распаде испускает частицы, которые можно зарегистрировать счетчиком Гейгера. Счетчик включает механизм, который опускает молоток на стеклянный контейнер с газом; стекло разбивается, газ выходит и убивает кота.
Как при этом можно описать кота? Специалист по квантовой физике сказал бы, что атом урана описывается волновой функцией, которая может распасться или не распасться. Поэтому нам следует сложить две волны. Если атом урана сработает, кот умрет; этот случай описывается одной волновой функцией. Если уран не сработает, кот будет жить, и этот случай тоже описывается функцией. Таким образом, чтобы описать кота, вам придется сложить волновые функции живого и мертвого кота.
Это означает, что кот и не жив, и не мертв! Он находится в промежуточном состоянии между жизнью и смертью и представляет собой сумму волновой функции, описывающей мертвого кота, и волновой функции, описывающей живого.
В этом суть проблемы, почти век гремевшей всюду, где есть физики. Как разрешить этот парадокс? Существует по крайней мере три способа (и сотни их вариантов).
Первая — это оригинальная копенгагенская интерпретация, предложенная Бором и Гейзенбергом; именно ее обычно излагают в учебниках. (Я тоже начинаю с нее, когда преподаю квантовую механику.) В ней утверждается: чтобы определить состояние кота, вы должны открыть ящик и произвести измерение. Волновая функция кота (сумма функций живого и мертвого кота) в этот момент схлопывается в единственную волновую функцию, и становится известно, жив кот в данный момент или мертв. Таким образом, наблюдение определяет существование и состояние кота. Именно процесс измерения отвечает за то, что две функции волшебным образом растворяются и превращаются в одну.
Эйнштейну это очень не понравилось. Столетиями ученые боролись с позицией, известной как «солипсизм» или «субъективный идеализм», согласно которой объекты не могут существовать, если вокруг нет никого, кто мог бы наблюдать их. Лишь сознание реально — материальный мир существует только в сознании в виде идей. Так, говорят солипсисты (к примеру, епископ Джордж Беркли), если дерево упадет в лесу, но никого не окажется рядом, чтобы это увидеть, то, может, дерево и не упадет. Эйнштейн, считавший подобные рассуждения чистой чепухой, выступал с противоположной позиции так называемой «объективной реальности», согласно которой Вселенная существует в уникальном и вполне определенном состоянии, которое не зависит ни от каких человеческих наблюдений. Именно эту точку зрения подсказывает большинству людей здравый смысл.
Объективная реальность восходит к Исааку Ньютону. В этом сценарии атом и субатомные частицы похожи на крохотные стальные шарики, существующие в определенных точках пространства и времени. Нет никакой двойственности, никакой вероятности в определении положения этих шариков, движения которых определяются соответствующими физическими законами. Объективная реальность замечательно описывала движение планет, звезд и галактик. Если добавить относительность, она может описывать также черные дыры и расширяющуюся Вселенную. Но есть одно место, где она отказывает, и это место — внутри атома.
Классические физики вроде Ньютона и Эйнштейна считали, что объективная реальность окончательно изгнала солипсизм из физики. Журналист Уолтер Липпман так описал ситуацию: «Радикальная новизна современной физики заключается именно в отрицании веры… в то, что силы, движущие звездами и атомами, согласуются в предпочтениями человеческого сердца».
Но квантовая механика впустила в физику новую форму солипсизма. В этой картине дерево до наблюдения может существовать в любом возможном состоянии (живом, сгоревшем, спиленном, сгнившем, в виде зубочисток и т. п.). Но если вы посмотрите на него, его волновая функция внезапно схлопнется и дерево станет деревом. Прежние солипсисты говорили о деревьях, которые то ли падают, то ли нет. Новые квантовые солипсисты ввели в рассмотрение все возможные состояния дерева.
Для Эйнштейна это было слишком. Он нередко задавал своим гостям вопрос: «Неужели Луна существует потому, что на нее смотрит мышь?» Для квантового физика ответ в определенном смысле может быть «да».
Эйнштейн и его коллеги нападали на Бора с вопросом: как может квантовый микромир (где коты бывают одновременно живыми и мертвыми) сосуществовать с миром здравого смысла, который все мы видим вокруг? Ответ был такой: наш мир от мира атомов отделяет «стена». По одну сторону стены правит здравый смысл. По другую — квантовая теория. Стену при желании можно передвинуть, но результат будет тот же.
Эту интерпретацию, какой бы странной она ни казалась, специалистам по квантовой физике преподавали 80 лет. Не так давно в отношении копенгагенской интерпретации возникли некоторые сомнения. Сегодня у нас есть нанотехнологии, при которых мы манипулируем отдельными атомами. На экране сканирующего туннельного микроскопа атомы похожи на пушистые теннисные мячики. (Во время съемок сюжета для BBC-TV мне довелось попасть в лабораторию Almaden фирмы IBM в Сан-Хосе (штат Калифорния) и даже подвигать отдельные атомы при помощи крохотного зонда. Сегодня мы можем играть с атомами, а ведь когда-то считалось, что они настолько малы, что даже увидеть их человеку никогда не удастся.)
Как мы уже говорили, век кремния медленно подходит к концу, и кое-кто считает, что на смену кремниевым транзисторам придут молекулярные. Если так, то парадоксы квантовой теории лягут в фундамент каждого компьютера будущего. Когда-нибудь на них, возможно, будет основана мировая экономика.
