Приложение Б

Дополнительные комментарии к парадоксу измерений квантовой физики

Квантовая физика начиналась с гипотезы Макса Планка о дискретных «элементах энергии» любых излучающих энергию атомных систем, сформулированной в 1900 году, и с работы Альберта Эйнштейна 1905 года о фотоэффекте. Эйнштейн предположил, что, в зависимости от частоты, свет выбивает с поверхности вещества электроны с разной кинетической энергией. Но именно введение Эрвина Шрёдингера к его знаменитому волновому уравнению 1925 года, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году, позволило оценить реальность квантовой физики. Его линейное частное дифференциальное волновое уравнение определяет детерминистскую эволюцию во времени функции состояния любой квантовой системы, независимо от ее размера (включая размер Вселенной).

Волновая функция Шрёдингера рассматривает суперпозицию возможных результатов, то есть в эксперименте с двумя щелями электрон, демонстрирующий волновое поведение, может пройти одновременно сквозь обе щели, левую и правую, с различными назначенными вероятностями (его расположение «распределено» между двумя вариантами, волновая функция является унитарной или всеохватывающей).

Математика и физика волнового уравнения Шрёдингера были полностью подтверждены не только десятилетиями научной доработки, но и практическими успехами, которые определяют рост выпуска товаров и услуг в мире примерно на треть. Проблема возникает при попытке интерпретировать актуальные импликации (научные, философские и метафизические) такой математики и физики, особенно если мы учтем лежащую в их основе реальность, обнаруженную экспериментально.

Американский физик Генри Стапп так сформулировал эту дилемму: «Если вкратце, то традиционная квантовая механика дуалистична на уровне практическом, но менталистична на онтологическом». Другими словами, общепринятая интерпретация квантовой механики – такая, которая признает и мозг, и ум, но на самом фундаментальном уровне толкования реальности настаивает на первичности ума. Вот почему традиционная наука так яростно пресекает все попытки извлечь уроки из открытий квантовой физики – они кардинально расходятся с материалистической позицией: ее приверженцы стремятся доказать, что ум и сознание не имеют ничего общего с объективной реальностью. А гипотеза об изначальном разуме допускает, что сознание вполне может стоять в самом центре реальности. Отрицать очевидное можно только до определенного переломного момента, к которому, я думаю, мы быстро приближаемся.

Интересно, что даже в таком эксперименте квантовой механики, где нельзя сказать, какой из параметров возник первым, параметры двух запутанных частиц сильно коррелируют друг с другом. Если событие А происходит сначала в своей инерциальной системе отсчета, а событие В – в своей, нельзя сделать вывод, что одно измерение вызвано поведением другой частицы и ни одно событие не может претендовать на приоритет – они одинаково достоверны. Наблюдатели различных систем отсчета могут заявить, что их показатели влияют на результат измерения другой частицы, хотя оба они обоснованно претендуют на приоритет.

Заметьте, что парадокс измерений – это проблема, выходящая далеко за пределы трудностей всесторонней интерпретации квантовой физики, он указывает на логические противоречия в самих основах квантовой теории. Эта проблема коренится в динамике процесса измерений, в правилах, описывающих траектории движения квантовых систем через математическое пространство. В квантовой механике есть данные обо всех системах, которые являются чем-то большим, чем совокупностью их составных частей, и пространственном расположении этих частей, что придает глубокую таинственность лежащей в основе этого квантовой физике и нашему пониманию того, как такие экспериментальные открытия влияют на осмысление мира.

Эйнштейна сильно беспокоила квантовая запутанность, так как она касалась краеугольного принципа физической науки, а именно концепции локального реализма, которая подразумевает два условия.

В субатомном мире все взаимодействия, включая лучи света, отражающиеся от объекта и входящие в глаз наблюдателя, связаны с передачей информации, которая не может быть мгновенной, поскольку фотонам нужно время, чтобы преодолеть расстояние от объекта до глаза и зафиксировать информацию (поэтому фотон должен быть локальным для воспринимающих пигментов сетчатки глаза). Эта передача информации ограничена скоростью света (согласно специальной теории относительности Эйнштейна).

Реализм подразумевает, что природа независима от человеческого ума. Субатомные частицы обладают различными свойствами до того, как наблюдающий ум принял сознательное решение произвести измерение. Реализм является противоположностью метафизического идеализма, который утверждает, что вся реальность содержится в сознании. Эйнштейна беспокоило, что квантовые эксперименты показывают: реальность ведет себя так, словно разум непосредственно участвует в ней (а это значит, что верны теории метафизического идеализма).

Физики с пренебрежением относились к работе Эйнштейна, Подольского и Розена (мы упоминали о ней в главе 5) и рассматривали ее как философский курьез, пока ирландский физик Джон Белл не придумал, как проверить аргументацию парадокса ЭПР опытным путем. В 1964 году он опубликовал свою работу, в которой сформулировал теорему (неравенство Белла), открыв тем самым дверь экспериментальной оценке одновременной связи во всей Вселенной, которую предлагала квантовая физика.

Исследования ученых, вдохновленных блестящей работой Белла, подтвердили реальность квантовой запутанности, которая противоречила предположениям Эйнштейна о локальном реализме и косвенно указывала на то, что фундаментальной объективной реальности не существует. Реальность лучше представлять как информационное поле, для существования которого нужна всеобъемлющая структура или сознательный наблюдатель. При рассмотрении теоремы Белла физики часто делают разнообразные оговорки и строят гипотезы в попытках прояснить природу реальности.

В 1982 году Ален Аспект подтвердил открытия Стюарта Фридмана и Джона Клаузера (смотрите главу 5), исключив вероятность связи между двумя фотонными детекторами. Самые изощренные эксперименты квантовой физики приводят к выводу, что не существует объективной реальности, независимой от ума сознательного наблюдателя.

Примечательно, что одно из последних допущений при рассмотрении неравенства Белла касается сознательной свободы воли: в супердетерминированной вселенной (блочной вселенной, в которой все прошлое и будущее уже осуществилось, застыло в кристалле действительности на всем протяжении вечности) возникает «жуткое дальнодействие», так как все результаты любого возможного измерения уже были определены Вселенной. В такой системе, где события предопределены с самого начала, разумных существ можно заставить думать, что у них есть свободная воля, если разделить «прошедшие» и «забытые» события, которые по этой причине считаются «будущими». Я лично считаю, что мы действительно обладаем свободной волей и сознание творит всю возникающую реальность. Коллективный разум влияет на всю разворачивающуюся реальность через свободную волю разумных существ.

Чтобы исследовать загадочную природу квантовой физики посредством эксперимента с двумя щелями, в конце 1970-х годов известный физик Джон Уилер предложил мысленный эксперимент. Он хотел изучить поведение фотонов и оценить уровень, на котором они «чувствуют» и «адаптируются» к экспериментальной модели. Чтобы изолировать специфические факторы, связанные с поведением фотонов, он прибег к очень быстрому переключению разных детекторов.

Основная задача такого квантового ластика с отложенным выбором – заставить каждый фотон «решить», вести ему себя как частица или как волна. Однако еще на пути фотона к датчику вмешивается квантовый генератор случайных чисел, который служит выбирающим наблюдателем. Из-за этого кажется, что фотон «передумал».

Помещая два поставленных в ряд поляризатора у каждой из двух щелей, мы исключаем любое волновое поведение, разрушаем волновую функцию. Но если мы поместим детекторы так, что фотоны встретятся с ними только после прохождения через щели, мы позволим фотонам отложить решение, как себя вести, то есть дадим им возможность пройти в одну щель или обе сразу. И это самое странное!

Но еще необычней то, что прошлое этих фотонов можно «стереть» путем адаптации экспериментальной аппаратуры. Включив третий поляризатор, стирающий эффект воздействия на «решение» фотонов, мы обнаружим, что фотоны вернулись к изначальному состоянию волны. Это показывает интерференционная картина после прохождения света через третий поляризатор.

Как вариант эксперимента квантового ластика с отложенным выбором, в 2015 году Эндрю Г. Мэннинг и его коллеги запустили один атом гелия в специальный интерферометр, чтобы создать атомный аналог первоначального мысленного эксперимента Джона Уилера. Для изучения квантового состояния атома они заменили физические расщепители пучка и зеркала оптическими импульсами Брэгга. То, что этот медленно движущийся при очень низкой температуре атом гелия все же показывает стирание его квантового прошлого будущим событием (анализ методом распознания выбора квантового генератора случайных чисел, сделанный после того, как атом прошел пи-импульс, заменяющий щели первоначального эксперимента), шокирует даже сильнее, чем подобные примеры с быстродвижущимися фотонами, потому что этот эксперимент больше напоминает наш мир. Персонал и команда экспериментаторов согласились с поколениями физиков, точно так же шокированных «жуткими» открытиями квантовых экспериментов, в том, что не имеет смысла приписывать массивной частице поведение волны или частицы до проведения замера. Акт наблюдения определяет возникающую реальность.

Уилер использовал вывод Беркли: «Существовать – значит быть воспринимаемым» (из главы 5), чтобы объяснить поразительные результаты своих экспериментов: «Когда люди обсуждают, когда и как фотон узнает, что аппаратура установлена определенным образом, и превращается из волны в частицу, чтобы соответствовать требованиям экспериментальной конфигурации, они предполагают, что фотон имел некую физическую форму, прежде чем ученые его наблюдали, – волна это была или частица, шла она вокруг галактики обоими или только одним из способов. На самом же деле квантовый феномен – это ни волны, ни частицы, а нечто неопределимое до момента измерения. Британский философ Джордж Беркли был отчасти прав, сказав два века назад: «Существовать – значит быть воспринимаемым».

Чтобы было понятнее, давайте проведем мысленный эксперимент и на минуту допустим, что мозг – это квантовый компьютер, а загадочные результаты квантовой физики – бесспорное доказательство того, что вся реальность квантовая и вся она заключена внутри сознания.

Принстонский философ-логик Хэнс Хэлворсон в своих последних работах предлагает интересную перспективу. Сочетая концепции суперпозиции и запутанности с эволюцией во времени квантовых систем (изменения квантового состояния всегда удерживают суперпозиции, то есть «линейная динамика» или «унитарность» преобладают), мы в момент наблюдения становимся запутанными по отношению к физическим объектам и в итоге не имеем определенных качеств.

Парадокс измерения обнажает очевидную противоречивость квантовой механики, которую физики пытались решить тремя способами.

Можно отвергать принцип суперпозиции, ссылаясь на скрытые переменные, как это сделал Дэвид Бом. Эта теория предполагает существование эмпирически необнаружимого ведущего поля, которое не обладает никакой энергией-импульсом и не связано ни с какой определенной областью пространства-времени в отличие от всех других полей в физике. Хотя Эйнштейн искал такую детерминистскую интерпретацию, загадочный характер ведущего поля Бома был бы чересчур большой натяжкой даже для него. Заметьте, что Бом приписывал ведущему полю отчасти ментальную природу, так как оно содержит в себе «объективную и активную информацию… в некоторых важных аспектах, подобную активности информации в нашем субъективном опыте», проводя аналогию между материей и умом, что вылилось в «новую теорию об уме, материи и их взаимоотношениях, в которой основным понятием является скорее участие, чем взаимодействие».

Второй способ решить противоречия квантовой механики – отрицать, что наблюдение вообще ведется, как в популярной многомировой интерпретации квантовой физики Хью Эверетта (ММИ). По мнению Эверетта, акт измерения приводит к тому, что наблюдатель становится запутанным одновременно с наблюдаемым объектом и измерительным устройством, так что в конце измерения человек не нуждается в определенных результатах наблюдений, потому что все возможные наблюдения ведут к созданию новой параллельной вселенной, в которой возникает только этот результат. Цена, которую платят за то, чтобы избежать любого конкретного измерения или наблюдения, – весьма неэкономная активация бесчисленных параллельных вселенных.

Короче говоря, Эверетт хотел, чтобы его гипотеза полностью удовлетворяла математическим описаниям квантовой физики, и потому допустил, что все возможные субатомные взаимодействия действительно возникали, но каждый такой случай давал начало новой вселенной. Декогерентность, или разрушение информации о квантовом состоянии через взаимодействие с физическим окружением, – это гипотетический механизм, замещающий собой коллапс волновой функции. По сути дела, он убирает из системы наблюдателя, и тот не может постулировать коллапс волновой функции. Это базовая предпосылка интерпретации Эверетта о бесчисленных параллельных вселенных, каждая из которых отражает завершение эволюционирующей волновой функции и окончание ее субатомной реальности. Наблюдаемая нами Вселенная, таким образом, лишь одна суперпозиция возможных квантовых состояний среди необозримого числа остальных.

Разумеется, простота – не единственное достоинство ММИ, но, и это важно, она сохраняет математику и предсказуемость квантовой физики неизменными. Сторонники ММИ Эверетта доказывают, что этой теории лучше всего соответствует принцип бритвы Оккама: эта модель проще, чем иные интерпретации, пусть даже множественность вселенных кажется спорной. Нужно отметить, что к этой наблюдаемой вселенной продолжает применяться закон сохранения энергии, чтобы избежать грубого нарушения сохранения энергии, которая высвободится в ином случае (учитывая стремительный рост новых вселенных).

В третьем варианте теории динамического подавления отбрасываются динамические законы квантовой механики, особенно идею, что суперпозиции сохраняются в течение долгого времени. Эти теории кажутся мне самыми целесообразными, поскольку прибегают к метафизическому (или онтологическому) идеализму. Они допускают, что человеческие (и все иные разумные) существа необходимы для эволюции реальности, то есть что само наше сознание возвышает нас над физической материей. В определенном смысле, я считаю всю нашу сознательную осведомленность об опыте и всю память о таком опыте возникающей в мире Коллективного разума, вне нашего четырехмерного пространства-времени физической Вселенной. Здесь я подразумеваю, что «большее» Уильяма Джеймса – это душа или дух, который воздействует на всю развивающуюся реальность. Это то «большее», без которого не объяснить причинность в пределах физической Вселенной.

Суперпозиции возникают между компонентами микроскопического физического мира, но эта идея не применима к миру сознания и Коллективному разуму. Как заметил Эрвин Шрёдингер, а другие (физики Роджер Пенроуз, Дэвид Альберт, Барри Ловер и прочие) его поддержали, нельзя сказать, что психические состояния существуют в суперпозиции, они просто восприятие в уме воспринимающего. Хотя мы не можем наблюдать сами совмещенные физические состояния, мы наблюдаем их последствия – например, рисунок интерференции в эксперименте с двумя щелями. Следовательно, идея суперпозиции физических состояний имеет прямые эмпирические импликации.

Самую популярную из теорий динамической редукции впервые опубликовали в 1985 году, она принадлежит итальянским физикам-теоретикам Джанкарло Джирарди, Альберто Римини и Вильгельму Веберу, и ее называют теорией ДРВ (по первым буквам фамилий ее создателей). Эта теория пользуется тем, что коллапс компонента квантовой системы «заразен» и повторяется во всей квантовой системе через запутанность. Таким образом, очень редкий (около одного раза на несколько сотен миллионов лет) спонтанный коллапс волновой функции частицы в, скажем, измерительном приборе, вмещающем более миллиона квадриллионов таких частиц, приведет к коллапсу волновой функции самой системы за счет запутанного характера скопления всех вовлеченных частиц.

Хэлворсон объясняет парадокс измерений, заявляя (как это сделало бы большинство психологов), что психические состояния отличаются от физических тем, что они не могут оказаться в суперпозиции и поэтому не могут стать запутанными с физическими состояниями. Затем он рисует такое психофизическое взаимодействие, в котором психические состояния безотказно следуют за состояниями физического мира. Он ссылается на гипотезу логической независимости и акцентирует внимание на концептуальном разграничении: «Физические состояния логически и концептуально не обусловливают психические состояния, и наоборот». Он сравнивает психические и физические состояния с сопряженными элементами квантовой физики, такими как координата и импульс или время и энергия.

Возвращаясь к теории коллапса ДРВ, Хэлворсон объясняет: «Если физический объект (например, мозг) объединяется с нефизическим объектом (например, умом) так, что их состояния коррелируют закономерным образом, тогда физический объект не может точно и без исключений подчиняться законам квантовой механики. Невозможность суперпозиции психических состояний подразумевает, что единый физико-психический объект не может подчиняться законам квантовой механики… Если физическая часть будет следовать законам квантовой механики, но будет ограничена природой ее психической пары, тогда законы ДРВ позволят этим двум видам объектов очень естественно и гармонично взаимодействовать друг с другом и с другими физическими объектами».

Хэлворсон делает вывод, что описанный им процесс взаимодействия души с мозгом и телом должен удовлетворить человека, противопоставляющего ум телу, и приводит в качестве аргумента метафизику, допускающую психический аспект дуализма, то есть влияния сознания на материю. Я бы хотел добавить, что это объяснение поддерживает метафизический идеализм и очевидность влияния ума на физический мир, поскольку все сущее берет начало в психическом мире. На самом деле метафизический идеализм прекрасно подходит для любых дуалистических схем, так как исключает все острые вопросы – например, исключает вероятность нарушения закона сохранения энергии в попытке описать механизм, с помощью которого ум влияет на материю.

Слишком рано говорить, что какая-то из существующих интерпретаций является истиной, но лично я вижу определенную привлекательность в гипотезе коллапса ДРВ. Другая интерпретация, которая также вызвала заметный интерес, называется «оркестрованная объективная редукция», ее предложили британский физик и математик Роджер Пенроуз и американский анестезиолог Стюарт Хамерофф.

В своей замечательной книге 1989 года «Новый ум короля» и в ее продолжении от 1997 года «Большое, малое и человеческий разум» Пенроуз называет человеческую мысль невычислимой и говорит, что математическая истина точных показателей недоказуема в фундаментальном смысле. Этот «фундаментальный смысл» сформулирован великим гением XX века, философом Куртом Гёделем. Его знаменитые теоремы о неполноте обратили внимание ученых на то, что доказать непротиворечивость и полноту любой математической системы изнутри нее без ссылок на законы, действующие за ее пределами, невозможно. Я считаю, что точно так же невозможно постичь сознание «изнутри него», точнее, изнутри связанных со временем и пространством форм ограниченной сознательной осведомленности, доступной людям, изучающим только физический мир. Таким образом, мы можем адекватно воспринимать подоплеку взаимоотношений ума-тела и глубоко и интуитивно познавать природу исходной реальности только через состояние трансцендентной сознательной осведомленности, которую мы ощущаем при воссоединении с Коллективным разумом.

Разъяснение Пенроуза и Хамероффа о микротрубочках в нейронах как среде, способной сохранять квантовую информацию достаточно долго, для того чтобы она могла сыграть роль в генерации человеческого сознания, – ценное дополнение к нашему знанию. В их модели коллапс волновой функции возникает через объективный процесс, зависящий от еще не определенных эффектов квантовой гравитации (связанный с разницей в кривизне пространства-времени между разными вероятностными состояниями реальных условий и с объективным пороговым значением возникновения такого коллапса). Вкратце, когда разность энергий между двумя различными квантовыми состояниями достигает пенроузовского уровня «1 гравитон» (приблизительно равного планковской массе, около 0,022 миллиграмма, и массе яйца мухи), квантовое состояние обрушивается до одного фактического значения.

Пенроуз и Хамерофф не переносят коллапс волновой функции на влияние первичного сознания на возникающую реальность, но я считаю, что многие их механистические концепции можно связать с метафизическим идеализмом и открыть тем самым способы, которыми сознание влияет на весь физический мир.

В определении природы разворачивающейся реальности квантовая физика явно отводит ведущую роль самому сознанию, несмотря на яростную оппозицию тех, кто все еще соблазняется коварной, обманчивой и впечатляющей Великой иллюзией, «реальностью» материального мира. Мне кажется, что мы продвинулись недостаточно далеко для того, чтобы принимать решение о «корректности» интерпретации парадокса измерений квантовой физики, и я подозреваю, что мы разберемся с ним лишь тогда, когда сможем отточить механизм, через который сознание влияет на наблюдаемую развивающуюся реальность, воспринимаемую нами.