новости  материалы  справочник  форум  гостевая  ссылки Поиск с Яндексом  
Новости
Материалы
  Логические подходы
  Нейронные сети
  Генетические алгоритмы
  Разное
  Публикации
  Алгоритмы
  Применение
Справочник
Форум
Гостевая книга
Ссылки
О сайте
 

Сознание в квантовой механике

Согласно изложенному выше, сознание возникает в процессе упорядочения, самоорганизации, точнее говоря, сознание — это сам процесс самоорганизации изнутри, со стороны самой самоорганизующейся системы, и чем порядок сложнее, тем сложнее сознание. Исходя из чего нет оснований считать, что без привлечения сознания описание самоорганизации или конкретно мышления будет неполным — оно в любом случае не может быть полным, но если бы можно было самоорганизацию алгоритмизировать, то и сознание возникло бы в описании само собой, просто как следствие точности и полноты отражения в алгоритме физического процесса. Внимательнее отнестись к сознанию заставляют исследования фундаментального уровня природы.

Как следует из квантово-механической теории (КМ), хорошо проверенной экспериментально и способной на чрезвычайно точные предсказания, до измерения или после него есть только вероятность найти элементарную частицу в той или иной области пространства с теми или иными значениями некоторых параметров (например скоростью), а ещё не сама частица. Вероятность найти частицу размазана по всему пространству, где-то концентрируясь, а где-то почти сходя на нет, то есть распределение вероятности в пространстве имеет характер волны, потому эволюция волн вероятности в пространстве и времени описывается волновой функцией. Волны вероятности также называют волнами де Бройля по имени французского физика Луи де Бройля, который в 1924 году высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам — электронам, протонам, атомам и так далее.

При этом область пространства с наибольшей амплитудой возмущения волны вероятности — волновой пакет — это область наибольшей вероятности найти частицу. За пределами которой вероятность может быть очень мала и практически не отличаться от нуля. Движение возмущения в пространстве — перемещение области наибольшей вероятности — имеет физический смысл движения, как «классического» перемещения объекта из одной точки в другую, и не может происходить быстрее скорости света. Например, траекторию движения электрона указать невозможно — электрон не находится ни в какой конкретной точке и не перемещается с места на место, как маленький шарик — с той или иной вероятностью он уже есть везде. Поэтому можно лишь выяснить, какова вероятность обнаружить электрон в том или ином месте, в частности, определить, где он окажется с наибольшей вероятностью.

По-другому можно сказать, что все возможные варианты местоположения и скорости частицы до измерения находятся в состоянии суперпозиции, то есть с некоторой вероятностью реализованы одновременно в каждой точке всего пространства вселенной. Но реализованы только потенциально, и ни одно из конкретных состояний частицы не существует реально — заранее. Вне измерения любой объект — это описываемое волновой функцией протяжённое на всё пространство распределение вероятности найти объект, а ещё не сам объект.

В момент измерения происходит мгновенный коллапс (редукция, схлопывание) волновой функции, и фактически «из ничего» возникает частица с некоторыми конкретными параметрами. Аналогично в запутанных состояниях в момент измерения первой частицы — когда у неё детектируется некоторое конкретное состояние — одновременно возникает коррелирующее состояние и у второй частицы, что происходит независимо от расстояния между ними. То есть коллапс общей волновой функции запутанных частиц — разрушение состояния суперпозиции (декогеренция), так же как и коллапс волновой функции одной частицы, происходит мгновенно во всём пространстве.

Когда измерение прекращается, частица опять становится волной вероятности, бесконечной в пространстве. При этом волновой пакет, как область пространства с наибольшей вероятностью найти частицу, будет постепенно расплываться, скорость чего зависит от массы/энергии частицы. Например, масса покоя электрона очень мала и равна 9,1·10-28 г, поэтому волновой пакет свободного электрона спустя одну секунду расплывётся до размеров, сравнимых с размером Луны. Но если взять пылинку массой в 1 мкг (1·10-6 г) и размером 0,1 мм, то всего лишь удвоение ее области наибольшей вероятности произойдет за 3 млрд лет. Отсюда ясно, что при повторном измерении, проведённом через некоторое время, будет очень мало шансов обнаружить свободный электрон на старом месте, и наоборот, пылинка неизменно будет находиться практически там же, где была обнаружена в первый раз. Другими словами, квантовые эффекты существенны только для микрочастиц и на макроуровне незаметны.

Однако природа на фундаментальном уровне существующая в виде вероятностей, пусть даже это касается только некоторых параметров объектов, и потому возможно не всё что угодно, — это всё равно очень странная ситуация. Поэтому разумно предположить, что это физическая структура самой частицы размазана во всём пространстве и флуктуирует, подчиняясь неким скрытым причинам, а в момент измерения структура каким-то образом «концентрируется», и одновременно из всего потока флуктуирующих состояний, как стоп-кадр, измерение выхватывает одно значение. Следовательно существуют некие неизвестные пока скрытые параметры, которые предопределяют всё происходящее с частицей в каждый момент времени.

Тем не менее в многочисленных экспериментах (по проверке неравенств Белла) установлено, что конкретное состояние частицы возникает только в момент измерения и до измерения не существует. Вернее сказать, из всех вариантов скрытых параметров, способных вернуть реализм (то есть наличие конкретного состояния у частицы ещё до акта измерения), возможность которых проведённые эксперименты не опровергли, фактически остались только слишком неправдоподобные и попросту бессмысленные, с помощью которых можно объяснить что угодно. Например, предопределённость невероятного характера типа фантастической ситуации, когда орёл выпадает всегда, у всех и на любых монетах просто потому, что в момент рождения вселенной сложились такие начальные условия. Или путешествия в прошлое с целью так манипулировать частицами, чтобы у экспериментатора сложилось впечатление, что их конкретное состояние возникает только в момент измерения, а не существует заранее.

И наконец коллапс волновой функции происходит мгновенно во всём пространстве, почему, например, вторая запутанная частица приобретает конкретное состояние одновременно с измерением первой, независимо от расстояния между ними. Но это значит, что нет не только реализма, но и локальности. Согласно принципу локальности, на объект можно влиять только через его непосредственное окружение, почему этот процесс не может происходить быстрее скорости света как предельной скорости движения, то есть что-либо не может перемещаться в пространстве быстрее скорости распространения возмущений волн вероятности, так как это и есть потенциальное «что-либо» — от сигналов до объектов.

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна (СТО) — проверенной экспериментально не меньше квантовой механики, пространство и время — это единая структура, поэтому скорость движения в пространстве взаимосвязана со скоростью движения во времени. Например, движение в пространстве с предельной скоростью — совпадающей со скоростью света, то есть со скоростью распространения электромагнитных волн — означает остановку движения во времени, а отсутствие движения в пространстве — максимальную скорость во времени. Дело в том, что скорость света в вакууме — это константа, считается, она не может быть больше или меньше, свет всегда перемещается с предельно возможной скоростью. При этом, согласно принципу относительности, все системы отсчёта должны быть равноправны — сложно представить, чтобы законы физики были разными в разных концах комнаты. Следовательно скорость света должна оставаться константой и в системе отсчёта наблюдателя, и в системе отсчёта источника света, а значит, чтобы сохранялось равноправие, должны изменяться время и длины. С чем связаны многочисленные парадоксы СТО. Например, с какой бы скоростью источник света не приближался или отдалялся от наблюдателя, наблюдатель зарегистрирует одну и ту же скорость света. Или, чем быстрее объект движется в пространстве, тем короче для него становятся расстояния и медленнее течёт время, и наоборот.

В итоге получается, процессы быстрее света есть, так как объекты «концентрируются» в месте их обнаружения мгновенно, и связь быстрее света есть, так как запутанные частицы тоже коррелируют мгновенно, но это не может быть связано с движением какой-либо известной материи. В связи с чем пришлось уточнить принцип причинности — в том смысле, что невозможна не вообще связь быстрее скорости света, а только передача информации быстрее скорости света — ведь если ничего материальное никуда не перемещается, то и информацию передать нечему. И действительно, передать информацию быстрее света через корреляцию запутанных частиц мешает как раз отсутствия реализма. Если состояние частицы возникает только в момент измерения и случайным образом, а не существует как реальность заранее, то ничего закодировать невозможно. Проще говоря, если выпадение орла или решки принципиально случайно, то мгновенная корреляция подбрасываемой монеты с другой монетой, находящейся у получателя информации сколь угодно далеко, всё равно ничего осмысленного передать не даст. Таким образом, несмотря на то, что на макроуровне это незаметно, на элементарном уровне реальности нет локальности и реализма.

Однако если волны вероятности не являются возмущением какой-либо физической структуры, предопределяющей поведение частиц, то волновая функция описывает не строго детерминированный процесс, который ввиду неполноты знания только выглядит как вероятностный, а описывает именно вероятностный процесс, который никаких скрытых параметров не содержит. Просто «такова реальность» — не детерминированная, а вероятностная. Что само по себе, может быть, не так необычно, как кажется на первый взгляд. Например, строгая причинность означает, что у всего есть свои непосредственные причины — но что было причиной всего? С другой стороны, исходя из привычного детерминизма макромира, кажется, что возможность случайности тоже должна быть предусмотрена заранее.

Э. Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике, один из основоположников КМ, первоначально также считал, что волновые свойства связаны именно со структурой частицы, но в дальнейшем согласился со статистической интерпретацией волновой функции — с тем, что нельзя сопоставить частице физической реальности до измерения, а только определённую статистику найти её в том или ином месте с теми или иными параметрами. По этому поводу в 1950 году в статье «Что такое элементарная частица» он писал: «Волны, о которых мы говорили, не должны считаться реальными волнами. Верно, что они порождают интерференционные явления, которые в случае света, где они уже давно известны, считались решающим доказательством, устранившим любые сомнения в реальности световых волн. Тем не менее мы теперь говорим, что все волны, включая световые, лучше рассматривать как «волны вероятности». Они являются лишь математическим построением для вычисления вероятности нахождения частицы.»

Первоначальную позицию Шрёдингера в своё время комментировал М. Борн: «Он (Шрёдингер) рассматривал электрон не как частицу, но как некоторое распределение плотности ... Он считал, что следует полностью отказаться от идеи частиц и квантовых скачков, и никогда не сомневался в правильности этого убеждения. Я, напротив, имел возможность каждодневно убеждаться в плодотворности концепции частиц, наблюдая за блестящими опытами Франка по атомным и молекулярным столкновениям, и был убеждён, что частицы не могут быть упразднены. Следовало найти путь к объединению частиц и волн. Я видел связующее звено в идее вероятности…». В 1954 году М. Борн был удостоен Нобелевской премии по физике с формулировкой «За фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции.»

Итак, вне измерения все возможные состояния частиц находятся в состоянии суперпозиции, а измерение, уничтожая другие, оставляет одно состояние, которое и становится реальностью. Получается, в КМ существуют два разных мира — классический и квантовый, и классический возникает в результате выбора случайного варианта из бесконечного множества, предлагаемых квантовым миром. Но что или кто делает выбор? Очевидно, выбор не может делать измеряющий прибор или в целом какая-либо известная материальная субстанция. Любой прибор вместе со всей вселенной, должен находится в суперпозиции всех потенциальных путей истории — и ничего, кроме эволюции этого состояния в пространстве и времени, быть не должно, так как для коллапса волновой функции и появления конкретной реальности нет никаких причин. Следовательно необходим именно наблюдатель и его сознание — по крайней мере, именно субъект наблюдает частицу, а его сознание — это, вероятно, единственное, что отличает наблюдателя от прибора.

Тогда, если мир не имеет конкретного состояния, но наблюдается именно оно, то именно взаимодействие с наблюдателем приводит к коллапсу волновой функции и появлению у наблюдаемой природы конкретного — «классического» состояния. Следовательно выбор связан не с измерением как таковым, а именно с наблюдением, и, например, конкретный результат измерения проявляется не в момент взаимодействия измеряемого объекта и прибора, а в момент наблюдения прибора субъектом. Поэтому если мы сейчас смотрим на объект и фиксируем его форму, цвет, материал и т. д., он предстает как классический объект. Но внутреннее состояние его атомов мы не наблюдаем, и в этой части объект находится в нелокальном запутанном состоянии. В итоге, получается, объект присутствует сразу в двух ипостасях — и как локальный объект, находящийся перед нами, и как нелокальный, находящийся «везде и нигде».

В то же время ситуация, когда мир в его конкретном виде возникает только благодаря субъекту, выглядит слишком необычной, почему, вероятно, парадоксальная значимость субъекта («проблема измерения»), возникающая в КМ, в той или иной степени не отражает реальность и всё-таки связана с недостатком знаний. Возможно, что в исследовании элементарного уровня реальности уже нельзя в достаточной степени отделить объект измерения от процесса измерения и взаимодействия с субъектом, в результате смысл измерения размывается, приводя к парадоксальным выводам. Таким образом, может быть, что абстракции нашего сознания глубже искажают мир, чем это может показаться, не беря во внимание его элементарный уровень. Конечно, в этом случае возникают вопросы, насколько те или иные выводы КМ являются «обманом зрения» и почему одновременно с этим они с высочайшей точностью подтверждаются экспериментально.

Если предположить, что дальнейшее познание и внесение соответствующих уточнений в КМ поможет разрешить проблему измерения, то, во-первых, уравнения КМ уже очень точны и согласованны, почему любое изменение в них — а изменение, очевидно, должно быть серьёзным — «незамеченным» пройти не может и должно, по-видимому, привести к полностью новой теории. И, во-вторых, если парадоксы КМ действительно связаны с субъектом, может статься, что такая теория невозможна в принципе — ввиду невозможности формализовать «уровень сознания» и потому «правильно» обобщить его с «уровнем элементов природы». Как следует из первой главы, субъекта невозможно свести к объекту, без непознаваемого субъекта невозможно никакое знание вообще. В этом случае парадоксы КМ сколь естественны, столь и неустранимы.

Следует добавить, что в целом описанная выше вероятностная трактовка соответствует копенгагенской интерпретации (КИ) квантовой механики, возникшей вместе с ней. И фактически общепринятой, ввиду отсутствия в КИ утверждений о не наблюдаемых процессах и при этом способной исчерпывающе описывать имеющиеся на сегодня экспериментальные факты. Однако есть и другие интерпретации, в которых делаются попытки объяснить эксперименты в ключе детерминизма, и наиболее известная из них — многомировая интерпретация (ММИ). Согласно ММИ, все возможные пути истории сосуществуют в состоянии суперпозиции, и лишь в сознании наблюдателя появляется единственная классическая картина мира. При этом сознание постоянно расщепляется по всем возможным траекториям будущего, связанным с каждым возможным исходом каждого наблюдения, но каждый вариант помнит только своё прошлое. Однако почему результаты измерения выбираются с разными вероятностями и именно с теми, которые предсказывает квантовая механика? Ответ на этот вопрос в ММИ сложен и выглядит искусственно, при том что возможности экспериментально проверить утверждения ММИ, по-видимому, нет. В итоге насколько однозначно, несмотря на необычность, из экспериментов следует отсутствие строгого детерминизма, настолько сложными и не менее необычными, получаются попытки его вернуть. Соответствующим набором гипотез ad hoc можно оправдать любую идею — и даже самый неочевидный набор может всё-таки оказаться реальностью, но тем не менее при прочих равных за точку отсчёта следует выбирать самое простое объяснение.

Также надо добавить, в современной физике квантовая механика рассматривается как частный случай квантовой теории поля (КТП) при скоростях, много меньших скорости света. Квантовое поле — которое можно представить некоторой гипотетической средой, заполняющую всё пространство — считается наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основании всех её проявлений. Например, физической основой квантовой механики является корпускулярно-волновой дуализм, согласно которому любому объекту присущи как волновые, так и корпускулярные свойства, то есть с каждой материальной частицей в КМ связана волна вероятности, которую можно представить возмущением некоторого поля вероятности частицы, распределённого по всему объёму пространства. Тогда как в основе КТП лежит представление, что все элементарные частицы являются квантами — возбуждением соответствующих полей. Таким образом, на смену принципиально разным объектам — полям вероятности и частицам КТП предлагает единые физические объекты — квантовые поля по одному для каждого сорта частиц. Тем не менее, несмотря на то, что в КТП поле приобретает в некотором смысле большую реальность, вероятностная природа частиц не меняется, почему остаётся и проблема измерения.

***

Термодинамика возникла в XIX веке. В то время изучали лишь наиболее простые, замкнутые системы, при этом в центре внимания находилась конечная стадия термодинамических процессов, когда система пребывает в состоянии, близком к равновесию. На неравновесные процессы смотрели как на исключения, не заслуживающие специального изучения. В то же время равновесные процессы, к примеру, не позволяли объяснить существование жизни, эволюцию.

Со временем ситуация изменилась, и сейчас открытые системы, неравновесные состояния и, как следствие, процессы самоорганизации, упорядочения находят на всех масштабах реальности, а замкнутые системы, наоборот, рассматривают как сравнительно редкие исключения из правила. При этом одни самоорганизующиеся системы являются элементами других — как, например, клетки являются элементами организма человека, а люди — элементами социума и биосферы. И если сознание действительно связано с процессами упорядочения, сложностью этих процессов, то, вероятно, что весь мир на всех масштабах наполнен «новым качеством», «элементами сознания», «информацией». В том числе, возможно, сознание субъекта как-то взаимодействует с сознанием других субъектов, социума, биосферы и т. д..

Но имеет ли это какой-либо практический смысл? Чем выше неравновесие и сложнее система, тем менее её поведение предсказуемо, и если сознание — это не только «внутрисистемный фактор», то за этой непредсказуемостью может быть незаметен вклад «нового качества» системы и как некой самостоятельной сущности. Прояснить ситуацию, вероятно, поможет дальнейшее исследование неравновесных, (нелинейных, сложных) систем.

В то же время — возможен ли в понимании неравновесных процессов столь качественный прогресс? Наличие у системы сложной внутренней динамики и её зависимость от мельчайших нюансов устройства и взаимодействия со средой в принципе не позволяет эту динамику полностью проследить, и чем сложнее система, тем больше непредсказуемость. В результате чем больше у системы должно быть «нового качества», и потому вроде бы проще его найти, тем больше его скрывает растущая непредсказуемость поведения системы.

Тем не менее то, что кажется невозможным сейчас, может стать обычным завтра, и потому, вероятно, тот или иной прогресс произойдёт и в понимании сознания. По крайней мере не существует чёткой границы между тем, что можно понять и что нельзя, следовательно возможность прогресса нельзя отрицать и в самых сложных задачах. Тогда, может быть, если субъект, парадоксы КМ и «наполненный информацией» мир взаимосвязаны, эту взаимосвязь удастся проследить. Возможно, что новое понимание взаимосвязи субъективного и объективного мира, как и в прошлые эпохи, станет основанием для новой метафизической парадигмы и нового метода познания, способного на большее, чем нынешние.

Закончить тему сознания поэтому можно словами А. Д. Линде — советско-американского физика, профессора Стэнфордского университета, одного из авторов теории инфляционного расширения вселенной: «Возможно ли, что сознание, подобно пространству-времени, имеет свои внутренние степени свободы, пренебрежение которыми ведет к фундаментально неполному описанию вселенной? Что, если наши ощущения так же реальны (или, быть может, даже более реальны), чем материальные объекты? Что, если мое красное и синее, моя боль — реально существующие объекты, а не просто отражения реального мира? Возможно ли ввести «пространство элементов сознания» и предположить, что сознание может существовать само по себе, даже при отсутствии материи, подобно гравитационным волнам, существующим при отсутствии протонов и электронов? Заметим, что гравитационные волны обычно настолько слабы и так слабо взаимодействуют с веществом, что мы до сих пор их впрямую не обнаружили. Однако их существование предельно важно для самосогласованности нашей теории, как и для понимания некоторых астрофизических явлений. Не может ли оказаться, что сознание — настолько же важная часть согласованной картины нашего мира, несмотря на то, что до сих пор мы могли совершенно пренебрегать им при описании известных нам физических явлений? Не окажется ли при дальнейшем развитии науки, что они изучение вселенной и сознания неразрывно связаны, и существенный прогресс в одном направлении невозможен без прогресса в другом?»


Предыдущая Оглавление Следующая