Страница:
Мы не будем рассматривать здесь онтологическую сторону вопроса, например, ленинскую теорию отражения, основанную на надежде, что наука в будущем поймет, как именно возникло сознание. (Кстати сказать, а как соотносится манера обосновывать философские положения будущими достижениями науки и столь важная для материализма идея причинности?) Если же говорить о гносеологических аспектах то, по-видимому, единственный материалистический сценарий появления нового (не только научных идей, но и, по Дарвину, биологических видов) -- это случайный перебор различных возможностей. Так работают компьютеры. При исследовании искусственных моделей реальности, созданных человеком, например, игры в шахматы, такая стратегия познания действительно оказывается вполне успешной. Впрочем, даже в этом случае не следует забывать, что функция оценки позиции, хотя и может подправляться компьютером, все-таки не вырабатывается им самостоятельно, а задается человеком-программистом. Если же говорить об исследовании объективной реальности, то есть, о научной работе, то она также содержит многие вполне компьютерные элементы. Подавляющее большинство научных работников занимаются не слишком сложным перебором вариантов, собирая свои работы из фрагментов работ предшественников (если метод, описанный в статье А, применить к задаче, сформулированной в статье Б...). Их, по-видимому, действительно можно, на радость материалистам, заменить компьютерами. Но может ли такая схема объяснить появление радикально новых идей? Можно ли перебором вариантов придти к общей теории относительности, или к квантовой механике, или к теории множеств?
Похоже, что отрицательный ответ на этот вопрос можно вполне строго обосновать, даже если ограничиться одной лишь математикой. Такому обоснованию посвящены книги выдающегося современного математика и физика Р. Пенроуза Новый разум императора и Тени разума, очень популярные на Западе (недавно первая из них переведена на русский язык). Здесь мы приведем краткое резюме утверждений Пенроуза, отсылая читателя за многими важными деталями к оригинальным текстам.
Компьютер полностью заменил бы человека-математика (конечно, имея в виду только его профессиональную деятельность), если бы математика была полностью формализованной системой, выводимой из конечного набора аксиом. Однако, такая лейбницевско-расселовско-гильбертовская программа аксиоматизации математики и сведения ее к прикладной логике была опровергнута К. Геделем и другими логиками в 30-е годы XX века. Речь идет прежде всего о знаменитой теореме Геделя о неполноте, согласно которой даже в пределах арифметики натуральных чисел существуют утверждения, неопровержимые и недоказуемые (при любом строгом понимании слова доказательство) на основании любого конечного набора аксиом. Близкое (и в действительности эквивалентное) утверждение состоит в существовании алгоритмически неразрешимых задач, то есть таких, которые в принципе не могут быть решены никаким компьютером за конечное число шагов. Важно подчеркнуть, что далеко не все такие задачи являются бессмысленными или неинтересными. Известен ряд нетривиальных примеров неразрешимых задач -- скажем, не существует общего способа определения, можно или нельзя замостить без зазоров плоскость плитками из данного набора (даже если ограничиваться только плитками-многоугольниками).
Дело в том, что множество всех задач, которые могут быть решены всеми прошлыми, настоящими и будущими компьютерами, -- счетно, то есть имеет ту же мощность (грубо говоря, число элементов), что и дискретный натуральный ряд. Человек же вполне способен работать с идеей актуальной бесконечности и с непрерывными множествами мощности континуума (а, возможно, и более высокой). Можно думать, что понятие континуума как некоторой первичной сущности, не сводимой к счетным множествам, действительно присуще человеческой психике. Каждый человек, вероятно, обладает зачатками топологического мышления, основанного на идее непрерывности. Выдающийся математик XX века Г. Вейль говорил об абстрактной алгебре и топологии как двух альтернативных способах математического мышления; по выражению Вейля, за душу каждого математика борются ангел топологии и бес абстрактной алгебры. На уровне физиологии различные виды мышления связываются с полушариями человеческого мозга (правополушарное мышление -- непрерывное, образы, топология, левополушарное мышление -- логическое, символы, буквы, слова, дискретное, алгебра). Важно подчеркнуть, что содержательное (творческое) мышление предполагает выход за рамки бинарной компьютерной логики. Более детально эта очень важная для нас тема будет обсуждаться в главах 8 и 10. Пенроуз так пишет о безусловно нематериалистических взглядах К. Геделя:
По-видимому, точка зрения Геделя состоит в том, что разум не ограничен вычислительной способностью и даже не ограничен конечностью мозга... Гедель отверг аргумент Тьюринга о том, что нет разума, отдельного от материи, назвав это предрассудком нашего времени. Видимо, для Геделя было очевидно, что физический мозг должен вести себя как вычислительное устройство, но разум -- нечто за пределами мозга.
Сам Пенроуз пытается дать материалистическое (возможно, только по форме) объяснение очевидному для него факту несводимости человеческого сознания к выполнению некоторой компьютерной программы, или, иными словами, наличия в человеческом (научном, и даже математическом!) мышлении иррациональных моментов. К сожалению, предрассудок нашего времени, согласно которому сознание есть продукт деятельности мозга, привел его к достаточно экзотической гипотезе о важности квантовых эффектов (при физиологических температурах!) в деятельности нервной системы; при этом квантовые эффекты трактуются не в символическом и ассоциативном смысле, как у нас, а вполне естественнонаучно. Понимая, что в квантовую природу целой клетки -- нейрона поверить совсем уже трудно, он пытается рассматривать в качестве структурного субстрата психики цитоскелет. Не хотелось бы здесь быть чересчур категоричными, но любому физику, профессионально занимавшемуся процессами декогерентности в сквидах, молекулярным магнетиках или любых других реальных системах, куда проще поверить в прямо мистические построения, чем в подобные научные гипотезы.
Первое предположение показывает, что речь идет о неизвестном явлении -Бог знает, сколько их еще. Второе связано, напротив, со сферой хорошо известного нам и находится в полном противоречии со всеми фундаментальными и человеческими законами. Именно поэтому мы должны относиться к нему с величайшим сомнением, к нему и его кажущейся рациональности.
(Д. Адамс. Долгое темное чаепитие души)
Впрочем, сама по себе попытка описать сознание как квантовый феномен кажется очень интересной. По крайней мере, квантовая картина мира, основанная на корпускулярно-волновом дуализме, действительно гораздо лучше соответствует структуре человеческой психики, чем компьютерный классический мир. В то же время попытки связать квантовый характер сознания с квантовыми свойствами его предполагаемых материальных носителей и с известными законами физики вызывает уже серьезные сомнения.
-- А я думал, вы верите в чудеса, -- не выдержал секретарь.
-- Да, -- ответил отец Браун, -- я верю в чудеса. Я верю и в тигров-людоедов, но они не мерещатся мне на каждом шагу. Если мне нужны чудеса, я знаю, где их искать.
(Г. К. Честертон)
ГЛАВА 7.
Квантовый мир: конец классической причинности
Мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает. Так что не относитесь к этой лекции слишком серьезно, не думайте, что вам действительно необходимо понять ее содержание и построить себе какую-то мысленную модель. Передохните и попытайтесь просто поразвлечься...
Если сможете, не мучайте себя вопросом: Но как же так может быть?, ибо в противном случае вы зайдете в тупик, из которого еще никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть.
(Р. Фейнман. Характер физических законов)
Обсуждение традиционных, прежде всего религиозных, представлений о реальности увело нас достаточно далеко от естественнонаучной проблематики, и читатель вправе спросить, перефразируя известный анекдот о поручике Ржевском: Ну а когда же про квантовую механику-то будет?. Отвечаем: сейчас.
Принято думать, и, как мы покажем, это мнение имеет под собой серьезные основания, что создание (в первой трети XX века) квантовой механики явилось неким рубежом, после которого физика не только может, но и вынуждена иметь дело с проблемами, ранее целиком относимыми к компетенции теологии и философии. По мнению многих физиков и философов, квантовая механика поставила такие вопросы, которые не могут адекватно обсуждаться в рамках традиционного естественнонаучного мировоззрения, сложившегося начиная с XVII века. Основным постулатом этого мировоззрения является возможность четкого разделения субъекта и объекта познания и связанное с этим резкое противопоставление материи и сознания. Явную философскую формулировку этого постулата принято связывать с именем Декарта, а примером его успешного применения к описанию части реальности (очень, правда, ограниченной) на многие века стали Математические начала натуральной философии Ньютона. Некоторые авторы называют такую фундаментальную мировоззренческую установку ньютоновско-картезианской парадигмой. Следует, правда, подчеркнуть, что взгляды самого Ньютона и особенно Декарта были намного более содержательными и интересными, чем эта парадигма (см., напр., обсуждение различия расхожего картезианства и мировоззрения Декарта в Картезианских размышлениях М. Мамардашвили). Как бы то ни было, именно этот дуализм, эмпирическая эффективность и полезность которого вне сомнения, радикально отличает естественнонаучную картину мира от других, как представляется, более глубоких подходов. Развитие квантовой физики заставило поставить вопрос о возможной недостаточности и исчерпанности данной парадигмы даже в рамках самого естествознания.
В возникших спорах приняли участие почти все выдающиеся физики нашего времени (кроме позитивистски настроенных исследователей, вообще не склонных обсуждать мировоззренческие вопросы как ненаучные). Хотя в книгах гуманитарной направленности изложение каких-то конкретных точек зрения по этому вопросу зачастую предваряется словами современная физика установила, что..., спор далеко не завершен. В этом разделе мы приведем -- в той мере, как это необходимо для связности изложения, основные физические факты, которые в дальнейшем будут обсуждаться с более возвышенной точки зрения.
Ранний период развития квантовой физики (1900-- 1924) характеризуется прежде всего формулировкой законов излучения в идеальной модели абсолютно черного (т. е. не отражающего) тела и введением кванта действия (М. Планк, 1900), открытием световых квантов и корпускулярно-волнового дуализма, т. е. двойственной природы света (А. Эйнштейн, 1905 и последующие работы), затем построением модели атома Бора (Н. Бор, 1913) и гипотезой Луи де Бройля о волновых свойствах электрона (1924). Ключевым моментом здесь является осознание корпускулярно-волнового дуализма как универсального свойства материи.
Обретена
Вечность!.. Она -
Точно волна,
Слитая с солнцем.
(А. Рембо. Вечность)
Второй этап, начавшийся с 1925 года, характеризуется построением формальной теории, описывающей этот дуализм (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан, Э. Шредингер, П. Дирак, В. Паули, 1925-- 1927; 1925-- 1927; Дж. фон Нейман, 1932; Р. Фейнман, 1948 и другие и глубоким обдумыванием возникших в связи с этим концептуальных проблем (принцип неопределенности Гейзенберга, статистическая интерпретация волновой функции Борна, принцип дополнительности Бора, теория измерений Дж. фон Неймана, и др.). Существуют хорошие популярные изложения физической сути корпускулярно-волнового дуализма (см., напр., прекрасные книги Р. Фейнмана Характер физических законов и КЭД: странная теория света и вещества), к которым мы и отсылаем читателя за более детальной физической информацией.
Наиболее удивительной чертой квантовой механики, радикально отличающей ее от всей предшествующей физики, служит придание вероятности статуса фундаментального понятия. В классической физике вероятность возникает как мера нашего незнания поведения системы, и ее использование носит, в общем, прагматический характер. Скажем, рассчитать точную траекторию падения монетки с учетом ее вращения, сил сопротивления воздуха и т. п. в рамках классической физики в принципе возможно, хотя это -- достаточно сложная физическая задача. Вместо того, чтобы решать ее в каждом конкретном случае, мы прибегаем к вероятностным соображениям, когда говорим, что при достаточно большом числе испытаний приблизительно в половине случаев монетка упадет орлом, а в половине -- решкой. Тем не менее, если нам очень уж захочется, мы вполне можем сделать гораздо больше, а именно, рассчитать движение монетки полностью и предсказать, как она упадет в данном конкретном случае. Другое дело, что во многих реальных задачах такая возможность остается только принципиальной -- скажем, в задачах молекулярной физики, где нужно рассматривать совместно уравнения движения для колоссального числа частиц. Для многих физически важных задач движение к тому же оказывается неустойчивым, и уже малая неопределенность в задании начальных условий приводит к сколь угодно большой неопределенности в решении через большие промежутки времени. В таких случаях прагматически использование понятия вероятности оказывается не только возможным, но и неизбежным. Однако в принципе нет никаких ограничений на сколь угодно точное определение начальных условий и сколь угодно точное решение задачи.
В рамках ньютоновско-картезианской парадигмы казалось бесспорным, что в принципе можно предсказать или объяснить любое явление, если знаешь достаточно детально все причинно-следственные связи в системе. В квантовой механике основной математический объект -- волновая функция -тоже подчиняется детерминистскому уравнению (уравнению Шредингера) и тем самым может быть в принципе найдена сколь угодно точно. Однако непосредственно она неизмерима и определяет лишь вероятности исхода различных физических экспериментов (статистическая интерпретация М. Борна). Важно подчеркнуть, что, в отличие от классической физики, никаких предсказаний для результатов индивидуального физического эксперимента в квантовой механике сделать нельзя. Например, квантовая механика может в принципе рассчитать, с какой вероятностью ядро радиоактивного изотопа распадется в определенный день с 10 утра до 5 вечера, и эти статистические предсказания при наличии достаточно большого числа ядер будут точны (скажем, если указанная вероятность была 20%, то в 5 вечера действительно останется лишь 80% ядер данного типа от числа бывших в 10 утра). Но она не может ответить на вопрос, когда именно распадется данное конкретное ядро, и распадется ли оно вообще в указанный промежуток времени. Более того, утверждается, что ответ на этот вопрос невозможен принципиально.
Внезапно они умирают; среди ночи народ возмутится, и они исчезают; и сильных изгоняют не силою... Он сокрушает сильных без исследования и поставляет других на их места.
(Иов 34:20,24)
В этом смысле фундаментальное для всей европейской науки понятие причинности радикально пересматривается. Скажем, данное конкретное ядро распалось ровно в 12 часов 37 минут 00 секунд; причину этого события, объясняющую, почему оно не произошло, скажем, на две минуты раньше или позже, указать нельзя -- оно вполне могло произойти раньше или позже, а вот произошло именно сейчас -- и бессмысленно спрашивать почему. Эту особенность квантовой механики в особенности подчеркивал В. Паули.
Для Паули свобода, характерная для индивидуальных событий, есть наиболее важный урок квантовой механики. Он часто ссылался на философию Шопенгауэра, базовыми элементами которой были воля (Wille) и представление (Vorstellung), т. е. (иррациональная) свобода выбора и (рациональная) идея.
(K. V. Laurikainen. The message of the atoms. Essays
on Wolfgang Pauli and unspeakable. Berlin, 1997)
Современному человеку, принадлежащему к европейской (в широком смысле слова) культуре и воспитанному в почтении к науке (часто без реальной потребности в понимании ее методов и результатов!), понятие причинности кажется самоочевидным. На простом понятии кармы как всеобщей механической связи явлений основана популярная эзотерическая традиция, восходящая к индуизму. В то же время многие канонические тексты (особенно буддийской традиции) подчеркивают невозможность говорить о причинах на самом глубоком уровне реальности. Логико-философское опровержение категории причинности дано в трактате Нагарджуны Двенадцать врат (см. главу 3). К этой проблеме рано или поздно подходит человек в процессе духовного роста.
Бхагаван: На что опираешься ты, Манджушри, когда осуществляешь праджняпарамиту [запредельную мудрость]?
Манджушри: Я совершенно не имею опоры в то время, когда осуществляю праджняпарамиту.
Бхагаван: Когда ты безопорен, Манджушри, то это и есть осуществление праджняпарамиты?
Манджушри: Когда не опираются ни на что, то это, о Бхагаван, и есть осуществление праджняпарамиты... Потому, что осуществление праджняпарамиты не имеет под собой опоры в виде любой дхармы, которую можно оставить или схватить.
(Сутра запредельной мудрости в 700 строк)
Подобное ощущение не чуждо и светской культуре, по крайней мере, в ее высших проявлениях. Как писал А. Пушкин, Случай -мощное оружие Провидения. Развивая эту мысль, А. Синявский в Прогулках с Пушкиным подчеркивает принципиальный индетерминизм мира великого поэта:
Идея рока... действующая с мановением молнии, лишена у него [Пушкина] строгости и чистоты религиозной доктрины. Случай -- вот пункт, ставящий эту идею в позицию безликой и зыбкой неопределенности, сохранившей тем не менее право вершить суд над нами. Случай на службе рока прячет его под покров спорадических совпадений, которые, хотя и случаются с подозрительной точностью, достаточно мелки и капризны, чтобы, не прибегая к метафизике, сойти за безответственное стечение обстоятельств... Случай и рубит судьбу под корень, и строит ей новый, научный базис. Случай -- уступка черной магии со стороны точной механики, открывшей в мельтешении атомов происхождение вещей и под носом у растерянной церкви исхитрившейся объяснить миропорядок беспорядком, из которого, как в цилиндре факира, внезапным столкновением шариков, образовалась цивилизация, не нуждавшаяся в творце... Бездомность, сиротство, потеря цели и назначения -- при всем том слепая случайность, возведенная в закон, устраивала Пушкина. В ней просвещенный век сохранил до поры нетронутым милый сердцу поэта привкус тайны и каверзы. В ней было нечто от игры в карты, которые Пушкин любил.
М. Мамардашвили в Психологической топологии пути (лекция 7) подробно объясняет, что для наиболее важных понятий (добро, понимание) причин нет и быть не может: отсутствие причин и называется Богом. В этом смысле квантовая физика, порвав с классическим (лапласовским) детерминизмом, кажется, действительно проникла в какие-то более глубоко лежащие пласты реальности, чем классическая физика.
...Причин на свете нет,
есть только следствия. И люди жертвы следствий.
(И. Бродский)
Применения вероятностного языка в квантовой и классической физике отличаются еще и вот чем. В классическом случае всегда складываются вероятности независимых событий. В квантовом же случае складываются амплитуды -- комплексные числа, квадрат модуля которых и дает значения вероятности того или иного события. Именно это и приводит к появлению интерференционных, то есть волновых, явлений. При этом основным законом квантовой механики является сформулированный П. Дираком принцип суперпозиции: если система может находиться в двух различных состояниях, то она может находиться и в произвольной суперпозиции (говоря математически -линейной комбинации) этих состояний. Например, если электрон может находиться в состоянии с определенными значениями пространственных координат (то есть, попросту говоря, быть локализованным в какой-то точке), то возможно и такое его состояние, когда он (с разными вероятностями) обладает всеми этими значениями координат одновременно. Аналогичное утверждение справедливо и для скоростей: существует бесчисленное множество состояний, в которых электрон не имеет определенной величины и направления вектора скорости. Более того, оказывается, что не существует таких состояний, в которых электрон одновременно имел бы точные значения и координат, и скоростей (принцип неопределенности Гейзенберга).
Важно подчеркнуть, что в тех случаях, когда квантовая механика соглашается отвечать на тот или иной вопрос, ее ответы неизменно подтверждались всеми до сих пор выполненными экспериментами. Например, она способна вполне успешно рассчитывать характеристики различных спектральных линий в атомах, молекулах и твердых телах, расстояния между атомами в молекулах, и т. д., и до сих пор физики нигде не столкнулись с ее неадекватностью. Разумеется, в каждом конкретном расчете приходится делать какие-то дополнительные приближения, которые приходится контролировать отдельно, но в ряде случаев мы имеем точное решение задачи, например, для спектра атома водорода. При этом никаких расхождений между результатами экспериментов и предсказаниями квантовой механики обнаружить не удается. Более того, квантовая механика имеет множество успешных практических применений (транзисторы и лазеры -- два, пожалуй, наиболее очевидных и эффектных примера). В то же время на ряд вопросов, традиционно считавшихся вполне допустимыми (например, о значении координаты и скорости электрона в данный момент времени), она никакого ответа не дает. В такой ситуации не приходится говорить о неправильности квантовой механики, но кажется уместной постановка вопроса об ее неполноте, то есть неокончательном характере, и существовании более фундаментальной теории, способной дать ответы на вопросы, лежащие за пределами квантовой физики. Такую позицию, в частности, занимал первооткрыватель корпускулярно-волнового дуализма Эйнштейн. Известно его высказывание Бог не играет в кости, означающее отказ признать чисто статистическую теорию за истину в последней инстанции. Приведем более полную цитату (которая явно вызывает библейские и даже каббалистические ассоциации) и ряд связанных с ней:
Квантовая механика заслуживает всяческого уважения, но внутренний голос подсказывает мне, что это не настоящий Иаков. Теория дает много, но к таинствам Старого она не подводит нас ближе. Во всяком случае, я убежден, что Он не играет в кости.
(Из письма А. Эйнштейна М. Борну 4.12.1926)
Очевидно, никогда в прошлом не была развита теория, которая, подобно квантовой, дала бы ключ к интерпретации и расчету группы столь разнообразных явлений. Несмотря на это, я все-таки думаю, что в наших поисках единого фундамента физики эта теория может привести нас к ошибке: она дает, по-моему, неполное представление о реальности, хотя и является единственной, которую можно построить на основе фундаментальных понятий силы и материальных точек... Неполнота представления является результатом статистической природы (неполноты) законов.
(А. Эйнштейн. Собр. научн. трудов. Т. 4. М., 1967. С. 220)
Целью теории является определение вероятности результатов измерений в системе в заданный момент времени. С другой стороны, она не пытается дать математическое представление того, что действительно имеет место, или того, что происходит в пространстве и времени. В этом пункте современная квантовая теория радикально отличается от всех предшествующих физических теорий как механических, так и полевых. Вместо того, чтобы дать модель для изображения реальных пространственно-временных событий, она дает распределения вероятности для возможных измерений как функций времени... Некоторые физики, и в том числе и я сам, не могут поверить, что мы раз и навсегда должны отказаться от идеи прямого изображения физической реальности в пространстве и времени или что мы должны согласиться с мнением, будто явления в природе подобны азартным играм.
Похоже, что отрицательный ответ на этот вопрос можно вполне строго обосновать, даже если ограничиться одной лишь математикой. Такому обоснованию посвящены книги выдающегося современного математика и физика Р. Пенроуза Новый разум императора и Тени разума, очень популярные на Западе (недавно первая из них переведена на русский язык). Здесь мы приведем краткое резюме утверждений Пенроуза, отсылая читателя за многими важными деталями к оригинальным текстам.
Компьютер полностью заменил бы человека-математика (конечно, имея в виду только его профессиональную деятельность), если бы математика была полностью формализованной системой, выводимой из конечного набора аксиом. Однако, такая лейбницевско-расселовско-гильбертовская программа аксиоматизации математики и сведения ее к прикладной логике была опровергнута К. Геделем и другими логиками в 30-е годы XX века. Речь идет прежде всего о знаменитой теореме Геделя о неполноте, согласно которой даже в пределах арифметики натуральных чисел существуют утверждения, неопровержимые и недоказуемые (при любом строгом понимании слова доказательство) на основании любого конечного набора аксиом. Близкое (и в действительности эквивалентное) утверждение состоит в существовании алгоритмически неразрешимых задач, то есть таких, которые в принципе не могут быть решены никаким компьютером за конечное число шагов. Важно подчеркнуть, что далеко не все такие задачи являются бессмысленными или неинтересными. Известен ряд нетривиальных примеров неразрешимых задач -- скажем, не существует общего способа определения, можно или нельзя замостить без зазоров плоскость плитками из данного набора (даже если ограничиваться только плитками-многоугольниками).
Дело в том, что множество всех задач, которые могут быть решены всеми прошлыми, настоящими и будущими компьютерами, -- счетно, то есть имеет ту же мощность (грубо говоря, число элементов), что и дискретный натуральный ряд. Человек же вполне способен работать с идеей актуальной бесконечности и с непрерывными множествами мощности континуума (а, возможно, и более высокой). Можно думать, что понятие континуума как некоторой первичной сущности, не сводимой к счетным множествам, действительно присуще человеческой психике. Каждый человек, вероятно, обладает зачатками топологического мышления, основанного на идее непрерывности. Выдающийся математик XX века Г. Вейль говорил об абстрактной алгебре и топологии как двух альтернативных способах математического мышления; по выражению Вейля, за душу каждого математика борются ангел топологии и бес абстрактной алгебры. На уровне физиологии различные виды мышления связываются с полушариями человеческого мозга (правополушарное мышление -- непрерывное, образы, топология, левополушарное мышление -- логическое, символы, буквы, слова, дискретное, алгебра). Важно подчеркнуть, что содержательное (творческое) мышление предполагает выход за рамки бинарной компьютерной логики. Более детально эта очень важная для нас тема будет обсуждаться в главах 8 и 10. Пенроуз так пишет о безусловно нематериалистических взглядах К. Геделя:
По-видимому, точка зрения Геделя состоит в том, что разум не ограничен вычислительной способностью и даже не ограничен конечностью мозга... Гедель отверг аргумент Тьюринга о том, что нет разума, отдельного от материи, назвав это предрассудком нашего времени. Видимо, для Геделя было очевидно, что физический мозг должен вести себя как вычислительное устройство, но разум -- нечто за пределами мозга.
Сам Пенроуз пытается дать материалистическое (возможно, только по форме) объяснение очевидному для него факту несводимости человеческого сознания к выполнению некоторой компьютерной программы, или, иными словами, наличия в человеческом (научном, и даже математическом!) мышлении иррациональных моментов. К сожалению, предрассудок нашего времени, согласно которому сознание есть продукт деятельности мозга, привел его к достаточно экзотической гипотезе о важности квантовых эффектов (при физиологических температурах!) в деятельности нервной системы; при этом квантовые эффекты трактуются не в символическом и ассоциативном смысле, как у нас, а вполне естественнонаучно. Понимая, что в квантовую природу целой клетки -- нейрона поверить совсем уже трудно, он пытается рассматривать в качестве структурного субстрата психики цитоскелет. Не хотелось бы здесь быть чересчур категоричными, но любому физику, профессионально занимавшемуся процессами декогерентности в сквидах, молекулярным магнетиках или любых других реальных системах, куда проще поверить в прямо мистические построения, чем в подобные научные гипотезы.
Первое предположение показывает, что речь идет о неизвестном явлении -Бог знает, сколько их еще. Второе связано, напротив, со сферой хорошо известного нам и находится в полном противоречии со всеми фундаментальными и человеческими законами. Именно поэтому мы должны относиться к нему с величайшим сомнением, к нему и его кажущейся рациональности.
(Д. Адамс. Долгое темное чаепитие души)
Впрочем, сама по себе попытка описать сознание как квантовый феномен кажется очень интересной. По крайней мере, квантовая картина мира, основанная на корпускулярно-волновом дуализме, действительно гораздо лучше соответствует структуре человеческой психики, чем компьютерный классический мир. В то же время попытки связать квантовый характер сознания с квантовыми свойствами его предполагаемых материальных носителей и с известными законами физики вызывает уже серьезные сомнения.
-- А я думал, вы верите в чудеса, -- не выдержал секретарь.
-- Да, -- ответил отец Браун, -- я верю в чудеса. Я верю и в тигров-людоедов, но они не мерещатся мне на каждом шагу. Если мне нужны чудеса, я знаю, где их искать.
(Г. К. Честертон)
ГЛАВА 7.
Квантовый мир: конец классической причинности
Мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает. Так что не относитесь к этой лекции слишком серьезно, не думайте, что вам действительно необходимо понять ее содержание и построить себе какую-то мысленную модель. Передохните и попытайтесь просто поразвлечься...
Если сможете, не мучайте себя вопросом: Но как же так может быть?, ибо в противном случае вы зайдете в тупик, из которого еще никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть.
(Р. Фейнман. Характер физических законов)
Обсуждение традиционных, прежде всего религиозных, представлений о реальности увело нас достаточно далеко от естественнонаучной проблематики, и читатель вправе спросить, перефразируя известный анекдот о поручике Ржевском: Ну а когда же про квантовую механику-то будет?. Отвечаем: сейчас.
Принято думать, и, как мы покажем, это мнение имеет под собой серьезные основания, что создание (в первой трети XX века) квантовой механики явилось неким рубежом, после которого физика не только может, но и вынуждена иметь дело с проблемами, ранее целиком относимыми к компетенции теологии и философии. По мнению многих физиков и философов, квантовая механика поставила такие вопросы, которые не могут адекватно обсуждаться в рамках традиционного естественнонаучного мировоззрения, сложившегося начиная с XVII века. Основным постулатом этого мировоззрения является возможность четкого разделения субъекта и объекта познания и связанное с этим резкое противопоставление материи и сознания. Явную философскую формулировку этого постулата принято связывать с именем Декарта, а примером его успешного применения к описанию части реальности (очень, правда, ограниченной) на многие века стали Математические начала натуральной философии Ньютона. Некоторые авторы называют такую фундаментальную мировоззренческую установку ньютоновско-картезианской парадигмой. Следует, правда, подчеркнуть, что взгляды самого Ньютона и особенно Декарта были намного более содержательными и интересными, чем эта парадигма (см., напр., обсуждение различия расхожего картезианства и мировоззрения Декарта в Картезианских размышлениях М. Мамардашвили). Как бы то ни было, именно этот дуализм, эмпирическая эффективность и полезность которого вне сомнения, радикально отличает естественнонаучную картину мира от других, как представляется, более глубоких подходов. Развитие квантовой физики заставило поставить вопрос о возможной недостаточности и исчерпанности данной парадигмы даже в рамках самого естествознания.
В возникших спорах приняли участие почти все выдающиеся физики нашего времени (кроме позитивистски настроенных исследователей, вообще не склонных обсуждать мировоззренческие вопросы как ненаучные). Хотя в книгах гуманитарной направленности изложение каких-то конкретных точек зрения по этому вопросу зачастую предваряется словами современная физика установила, что..., спор далеко не завершен. В этом разделе мы приведем -- в той мере, как это необходимо для связности изложения, основные физические факты, которые в дальнейшем будут обсуждаться с более возвышенной точки зрения.
Ранний период развития квантовой физики (1900-- 1924) характеризуется прежде всего формулировкой законов излучения в идеальной модели абсолютно черного (т. е. не отражающего) тела и введением кванта действия (М. Планк, 1900), открытием световых квантов и корпускулярно-волнового дуализма, т. е. двойственной природы света (А. Эйнштейн, 1905 и последующие работы), затем построением модели атома Бора (Н. Бор, 1913) и гипотезой Луи де Бройля о волновых свойствах электрона (1924). Ключевым моментом здесь является осознание корпускулярно-волнового дуализма как универсального свойства материи.
Обретена
Вечность!.. Она -
Точно волна,
Слитая с солнцем.
(А. Рембо. Вечность)
Второй этап, начавшийся с 1925 года, характеризуется построением формальной теории, описывающей этот дуализм (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан, Э. Шредингер, П. Дирак, В. Паули, 1925-- 1927; 1925-- 1927; Дж. фон Нейман, 1932; Р. Фейнман, 1948 и другие и глубоким обдумыванием возникших в связи с этим концептуальных проблем (принцип неопределенности Гейзенберга, статистическая интерпретация волновой функции Борна, принцип дополнительности Бора, теория измерений Дж. фон Неймана, и др.). Существуют хорошие популярные изложения физической сути корпускулярно-волнового дуализма (см., напр., прекрасные книги Р. Фейнмана Характер физических законов и КЭД: странная теория света и вещества), к которым мы и отсылаем читателя за более детальной физической информацией.
Наиболее удивительной чертой квантовой механики, радикально отличающей ее от всей предшествующей физики, служит придание вероятности статуса фундаментального понятия. В классической физике вероятность возникает как мера нашего незнания поведения системы, и ее использование носит, в общем, прагматический характер. Скажем, рассчитать точную траекторию падения монетки с учетом ее вращения, сил сопротивления воздуха и т. п. в рамках классической физики в принципе возможно, хотя это -- достаточно сложная физическая задача. Вместо того, чтобы решать ее в каждом конкретном случае, мы прибегаем к вероятностным соображениям, когда говорим, что при достаточно большом числе испытаний приблизительно в половине случаев монетка упадет орлом, а в половине -- решкой. Тем не менее, если нам очень уж захочется, мы вполне можем сделать гораздо больше, а именно, рассчитать движение монетки полностью и предсказать, как она упадет в данном конкретном случае. Другое дело, что во многих реальных задачах такая возможность остается только принципиальной -- скажем, в задачах молекулярной физики, где нужно рассматривать совместно уравнения движения для колоссального числа частиц. Для многих физически важных задач движение к тому же оказывается неустойчивым, и уже малая неопределенность в задании начальных условий приводит к сколь угодно большой неопределенности в решении через большие промежутки времени. В таких случаях прагматически использование понятия вероятности оказывается не только возможным, но и неизбежным. Однако в принципе нет никаких ограничений на сколь угодно точное определение начальных условий и сколь угодно точное решение задачи.
В рамках ньютоновско-картезианской парадигмы казалось бесспорным, что в принципе можно предсказать или объяснить любое явление, если знаешь достаточно детально все причинно-следственные связи в системе. В квантовой механике основной математический объект -- волновая функция -тоже подчиняется детерминистскому уравнению (уравнению Шредингера) и тем самым может быть в принципе найдена сколь угодно точно. Однако непосредственно она неизмерима и определяет лишь вероятности исхода различных физических экспериментов (статистическая интерпретация М. Борна). Важно подчеркнуть, что, в отличие от классической физики, никаких предсказаний для результатов индивидуального физического эксперимента в квантовой механике сделать нельзя. Например, квантовая механика может в принципе рассчитать, с какой вероятностью ядро радиоактивного изотопа распадется в определенный день с 10 утра до 5 вечера, и эти статистические предсказания при наличии достаточно большого числа ядер будут точны (скажем, если указанная вероятность была 20%, то в 5 вечера действительно останется лишь 80% ядер данного типа от числа бывших в 10 утра). Но она не может ответить на вопрос, когда именно распадется данное конкретное ядро, и распадется ли оно вообще в указанный промежуток времени. Более того, утверждается, что ответ на этот вопрос невозможен принципиально.
Внезапно они умирают; среди ночи народ возмутится, и они исчезают; и сильных изгоняют не силою... Он сокрушает сильных без исследования и поставляет других на их места.
(Иов 34:20,24)
В этом смысле фундаментальное для всей европейской науки понятие причинности радикально пересматривается. Скажем, данное конкретное ядро распалось ровно в 12 часов 37 минут 00 секунд; причину этого события, объясняющую, почему оно не произошло, скажем, на две минуты раньше или позже, указать нельзя -- оно вполне могло произойти раньше или позже, а вот произошло именно сейчас -- и бессмысленно спрашивать почему. Эту особенность квантовой механики в особенности подчеркивал В. Паули.
Для Паули свобода, характерная для индивидуальных событий, есть наиболее важный урок квантовой механики. Он часто ссылался на философию Шопенгауэра, базовыми элементами которой были воля (Wille) и представление (Vorstellung), т. е. (иррациональная) свобода выбора и (рациональная) идея.
(K. V. Laurikainen. The message of the atoms. Essays
on Wolfgang Pauli and unspeakable. Berlin, 1997)
Современному человеку, принадлежащему к европейской (в широком смысле слова) культуре и воспитанному в почтении к науке (часто без реальной потребности в понимании ее методов и результатов!), понятие причинности кажется самоочевидным. На простом понятии кармы как всеобщей механической связи явлений основана популярная эзотерическая традиция, восходящая к индуизму. В то же время многие канонические тексты (особенно буддийской традиции) подчеркивают невозможность говорить о причинах на самом глубоком уровне реальности. Логико-философское опровержение категории причинности дано в трактате Нагарджуны Двенадцать врат (см. главу 3). К этой проблеме рано или поздно подходит человек в процессе духовного роста.
Бхагаван: На что опираешься ты, Манджушри, когда осуществляешь праджняпарамиту [запредельную мудрость]?
Манджушри: Я совершенно не имею опоры в то время, когда осуществляю праджняпарамиту.
Бхагаван: Когда ты безопорен, Манджушри, то это и есть осуществление праджняпарамиты?
Манджушри: Когда не опираются ни на что, то это, о Бхагаван, и есть осуществление праджняпарамиты... Потому, что осуществление праджняпарамиты не имеет под собой опоры в виде любой дхармы, которую можно оставить или схватить.
(Сутра запредельной мудрости в 700 строк)
Подобное ощущение не чуждо и светской культуре, по крайней мере, в ее высших проявлениях. Как писал А. Пушкин, Случай -мощное оружие Провидения. Развивая эту мысль, А. Синявский в Прогулках с Пушкиным подчеркивает принципиальный индетерминизм мира великого поэта:
Идея рока... действующая с мановением молнии, лишена у него [Пушкина] строгости и чистоты религиозной доктрины. Случай -- вот пункт, ставящий эту идею в позицию безликой и зыбкой неопределенности, сохранившей тем не менее право вершить суд над нами. Случай на службе рока прячет его под покров спорадических совпадений, которые, хотя и случаются с подозрительной точностью, достаточно мелки и капризны, чтобы, не прибегая к метафизике, сойти за безответственное стечение обстоятельств... Случай и рубит судьбу под корень, и строит ей новый, научный базис. Случай -- уступка черной магии со стороны точной механики, открывшей в мельтешении атомов происхождение вещей и под носом у растерянной церкви исхитрившейся объяснить миропорядок беспорядком, из которого, как в цилиндре факира, внезапным столкновением шариков, образовалась цивилизация, не нуждавшаяся в творце... Бездомность, сиротство, потеря цели и назначения -- при всем том слепая случайность, возведенная в закон, устраивала Пушкина. В ней просвещенный век сохранил до поры нетронутым милый сердцу поэта привкус тайны и каверзы. В ней было нечто от игры в карты, которые Пушкин любил.
М. Мамардашвили в Психологической топологии пути (лекция 7) подробно объясняет, что для наиболее важных понятий (добро, понимание) причин нет и быть не может: отсутствие причин и называется Богом. В этом смысле квантовая физика, порвав с классическим (лапласовским) детерминизмом, кажется, действительно проникла в какие-то более глубоко лежащие пласты реальности, чем классическая физика.
...Причин на свете нет,
есть только следствия. И люди жертвы следствий.
(И. Бродский)
Применения вероятностного языка в квантовой и классической физике отличаются еще и вот чем. В классическом случае всегда складываются вероятности независимых событий. В квантовом же случае складываются амплитуды -- комплексные числа, квадрат модуля которых и дает значения вероятности того или иного события. Именно это и приводит к появлению интерференционных, то есть волновых, явлений. При этом основным законом квантовой механики является сформулированный П. Дираком принцип суперпозиции: если система может находиться в двух различных состояниях, то она может находиться и в произвольной суперпозиции (говоря математически -линейной комбинации) этих состояний. Например, если электрон может находиться в состоянии с определенными значениями пространственных координат (то есть, попросту говоря, быть локализованным в какой-то точке), то возможно и такое его состояние, когда он (с разными вероятностями) обладает всеми этими значениями координат одновременно. Аналогичное утверждение справедливо и для скоростей: существует бесчисленное множество состояний, в которых электрон не имеет определенной величины и направления вектора скорости. Более того, оказывается, что не существует таких состояний, в которых электрон одновременно имел бы точные значения и координат, и скоростей (принцип неопределенности Гейзенберга).
Важно подчеркнуть, что в тех случаях, когда квантовая механика соглашается отвечать на тот или иной вопрос, ее ответы неизменно подтверждались всеми до сих пор выполненными экспериментами. Например, она способна вполне успешно рассчитывать характеристики различных спектральных линий в атомах, молекулах и твердых телах, расстояния между атомами в молекулах, и т. д., и до сих пор физики нигде не столкнулись с ее неадекватностью. Разумеется, в каждом конкретном расчете приходится делать какие-то дополнительные приближения, которые приходится контролировать отдельно, но в ряде случаев мы имеем точное решение задачи, например, для спектра атома водорода. При этом никаких расхождений между результатами экспериментов и предсказаниями квантовой механики обнаружить не удается. Более того, квантовая механика имеет множество успешных практических применений (транзисторы и лазеры -- два, пожалуй, наиболее очевидных и эффектных примера). В то же время на ряд вопросов, традиционно считавшихся вполне допустимыми (например, о значении координаты и скорости электрона в данный момент времени), она никакого ответа не дает. В такой ситуации не приходится говорить о неправильности квантовой механики, но кажется уместной постановка вопроса об ее неполноте, то есть неокончательном характере, и существовании более фундаментальной теории, способной дать ответы на вопросы, лежащие за пределами квантовой физики. Такую позицию, в частности, занимал первооткрыватель корпускулярно-волнового дуализма Эйнштейн. Известно его высказывание Бог не играет в кости, означающее отказ признать чисто статистическую теорию за истину в последней инстанции. Приведем более полную цитату (которая явно вызывает библейские и даже каббалистические ассоциации) и ряд связанных с ней:
Квантовая механика заслуживает всяческого уважения, но внутренний голос подсказывает мне, что это не настоящий Иаков. Теория дает много, но к таинствам Старого она не подводит нас ближе. Во всяком случае, я убежден, что Он не играет в кости.
(Из письма А. Эйнштейна М. Борну 4.12.1926)
Очевидно, никогда в прошлом не была развита теория, которая, подобно квантовой, дала бы ключ к интерпретации и расчету группы столь разнообразных явлений. Несмотря на это, я все-таки думаю, что в наших поисках единого фундамента физики эта теория может привести нас к ошибке: она дает, по-моему, неполное представление о реальности, хотя и является единственной, которую можно построить на основе фундаментальных понятий силы и материальных точек... Неполнота представления является результатом статистической природы (неполноты) законов.
(А. Эйнштейн. Собр. научн. трудов. Т. 4. М., 1967. С. 220)
Целью теории является определение вероятности результатов измерений в системе в заданный момент времени. С другой стороны, она не пытается дать математическое представление того, что действительно имеет место, или того, что происходит в пространстве и времени. В этом пункте современная квантовая теория радикально отличается от всех предшествующих физических теорий как механических, так и полевых. Вместо того, чтобы дать модель для изображения реальных пространственно-временных событий, она дает распределения вероятности для возможных измерений как функций времени... Некоторые физики, и в том числе и я сам, не могут поверить, что мы раз и навсегда должны отказаться от идеи прямого изображения физической реальности в пространстве и времени или что мы должны согласиться с мнением, будто явления в природе подобны азартным играм.