Существует ли реальность без нас?
Физикам оказалось безумно трудно вычеркнуть наблюдателя из квантовой теории.
Теперь некоторые размышляют над умопомрачительной альтернативой:
что связное описание реальности со всеми её квантовыми причудами может возникнуть не более чем из случайного субъективного опыта.
Это похоже на «перспективу сумасшедшего», говорит автор новой смелой теории, потому что она заставляет нас отказаться от любых представлений о фундаментальных физических законах.
Но если она устоит, то не только разрешит некоторые глубокие загадки квантовой механики, но и перевернёт наши глубочайшие представления о самой реальности.
Хорошо известно, что организм может воспринимать информацию от сенсорной стимуляции, и достаточно взглянуть на успех гипнотерапии, чтобы понять, насколько эффективной она может быть.
Данная система расширяет этот принцип, стимулируя наш целительный потенциал с помощью:
- письменного слова
- чисел
- фрактальных уравнений
- звука
- цвета
- символов
Давая прямые указания интеллекту нашего тела, мы стимулируем его естественные целительные силы.
Когда дело доходит до предсказания поведения мира, квантовая теория оказывается непревзойдённой:
каждое её предсказание, независимо от того, насколько оно противоречит интуиции, подтверждается экспериментом.
Электроны, например, иногда могут демонстрировать поведение, характерное для волн, хотя в других обстоятельствах они ведут себя как частицы.
Волна путаницы
До наблюдения считается, что такие квантовые объекты находятся в суперпозиции всех возможных наблюдаемых результатов.
Это не означает, что они существуют во многих состояниях одновременно, скорее, мы можем только сказать, что все допустимые результаты измерения остаются возможными. Этот потенциал представлен в квантовой волновой функции, математическом выражении, которое кодирует все результаты и их относительные вероятности.
Но совершенно не очевидно, что волновая функция может рассказать вам о природе квантовой системы до того, как мы произведём измерение.
Это действие сводит все возможные последствия к одному, получившему название коллапса волновой функции, но никто на самом деле не знает, что это означает. Некоторые исследователи полагают, что это может быть реальный физический процесс, подобный радиоактивному распаду.
Те, кто придерживается теории множественности миров, считают, что это иллюзия, вызванная расщеплением Вселенной на все возможные варианты развития событий.
Другие по-прежнему говорят, что нет смысла пытаться это объяснить — и, кроме того, кого это волнует? Математика работает, так что просто заткнись и посчитай.
Как бы то ни было, коллапс волновой функции, по-видимому, зависит от вмешательства или наблюдения, что порождает ряд серьёзных проблем, не в последнюю очередь связанных с ролью сознания во всем процессе.
Это проблема измерения, возможно, самая большая головная боль в квантовой теории.
«Это очень сложно», — говорит Келвин Маккуин, философ из Университета Чепмена в Калифорнии. «Каждый день появляется всё больше интерпретаций, но у всех них есть проблемы».
Самая популярная из них известна как копенгагенская интерпретация в честь родного города одного из пионеров квантовой теории, Нильса Бора.
Он утверждал, что квантовая механика говорит нам только о том, чего мы должны ожидать, когда проводим измерение, а не о том, что вызывает этот результат. Теория не может сказать нам, на что похожа квантовая система, пока мы её не наблюдаем; всё, что мы можем от неё требовать, — это вероятности различных возможных результатов.
Такая перспектива, по-видимому, приводит вас к неприятному выводу:
что сам акт нашего наблюдения вызывает к жизни результат.
Может ли это быть правдой? Это кажется полной противоположностью тому, что обычно предполагает наука, как намекал Эйнштейн.
И всё же у этой идеи есть своя история.
Венгерский физик Джон фон Нейман был первым, кто занялся этим в начале 1930-х годов, а его соотечественник Юджин Вигнер в 1950-х годах провёл мысленный эксперимент, который теперь известен как «Друг Вигнера».
«Что, если реальность невозможно описать без нашего активного участия?»
Предположим, что Вигнер стоит у входа в комнату без окон, где его друг собирается произвести какое-то измерение частицы.
Как только это будет сделано, она узнает, каково наблюдаемое свойство частицы, а Вигнер — нет. Он не может осмысленно сказать, что волновая функция частицы разрушилась, пока его друг не сообщит ему результат.
Хуже того, пока она этого не сделает, квантовая теория не даст Вигнеру возможности рассматривать все невидимые события в лаборатории как имеющие фиксированные результаты.
Его друг, его измерительный прибор и частица остаются одной большой сложной суперпозицией.
Мы словно живём в солипсистском мире, где коллапс наступает только тогда, когда сознание осознаёт результат.
«Из этого следует, что на квантовое описание объектов влияют впечатления, поступающие в моё сознание», — писал Вигнер.
«Солипсизм может быть логически совместим с современной квантовой механикой».
Джон Уилер из Принстонского университета сформулировал это иначе:
это не солипсизм, а своего рода интерактивное сотрудничество, которое приводит к возникновению всего сущего.
По словам Уилера, мы живём в «коллективной вселенной», которую невозможно осмысленно описать без нашего активного участия.
«В квантовой механике нет ничего более удивительного, — писал он, — чем то, что она позволяет серьёзно задуматься… что вселенная была бы ничем без наблюдателя».
Но Уилер не смог избежать множества неразрешимых вопросов, которые поднимает вселенная, основанная на участии.
Во-первых, Вигнер и его друг, похоже, застряли в бесконечном регрессе.
- Находится ли сам Вигнер в состоянии суперпозиции состояний, пока он не передаст результат своим друзьям в соседнем здании?
- Какой наблюдатель «решает», когда произойдёт коллапс волновой функции?
- И что вообще представляет собой сознательное наблюдение?
Несмотря на настойчивость подобных вопросов, некоторые теоретики недавно вернулись к той форме видения Уилера, которую Крис Фукс из Массачусетского университета в Бостоне назвал «реальностью участия».
Этот сдвиг отчасти вызван отсутствием лучшей альтернативы, но в первую очередь потому, что, если вы серьёзно относитесь к квантовой механике, кажется невозможным избежать некоторого элемента субъективности, зависящего от наблюдателя.
Пару лет назад теоретик Кацлав Брукнер из Венского университета пересмотрел сценарий «друга Вигнера» в слегка изменённой форме, предложенный Дэвидом Дойчем из Оксфордского университета.
Здесь друг проводит измерение — он свернул волновую функцию частицы, получив либо результат А, либо результат В, — но говорит Вигнеру только о том, что он видит определённый результат, а не о том, что видит.
В сценарии Дойча Вигнер вынужден прийти к выводу, что его друг, его измерительный прибор и частица находятся в совместной суперпозиции, хотя он знает, что измерение произошло.
Для друга Вигнера он определённо находится, скажем, в состоянии «Я вижу А», но для Вигнера она находится в суперпозиции «Я вижу А» и «Я вижу Б».
Так кто же прав? По словам Брукнера, правы оба, в зависимости от того, чью точку зрения вы принимаете.
Он показал, что если квантовая механика верна, то не существует привилегированной точки зрения, с которой третий наблюдатель мог бы согласовать утверждения Вигнера и его друга.
«Нет никаких оснований предполагать, что «факты» одного из них более фундаментальны, чем «факты» другого», — говорит Брукнер, — и поэтому мы вынуждены заключить, что «в мире не существует «фактов как таковых»».
Скорее всего, для каждого наблюдателя существуют только факты.
Одна из интерпретаций квантовой механики делает такой вывод очевидным.
Разработанный в 2000-х годах Фуксом и другими учёными квантовое байесианство (также известный как QBism) основывается на представлении о том, что квантовая механика предоставляет только рекомендации о том, во что должен верить рациональный наблюдатель, который увидит результаты измерений, и что эти убеждения могут обновляться по мере того, как наблюдатель принимает во внимание новый опыт.
Вот тут-то и проявляется «байесианство»:
это относится к классической теории вероятностей, основанной в 18 веке, которая определяет вероятности на основе того, что наблюдатель уже знает о происходящем.
QBism категорически отрицает, что вообще существует какое-либо объективное представление о квантовом состоянии.
Это не означает, что не может быть ничего «реального», кроме личной веры, просто квантовая механика не имеет прямого отношения к этому вопросу.
Существование «альтернативных фактов» Брукнера не вызывает сомнений в такой картине, поскольку она предполагает их с самого начала. На самом деле волновая функция не разрушается, что является просто способом говорить о том, как измерение обновляет наши знания.
Но мало кто из физиков готов принять такие жёсткие ограничения на свои усилия по описанию реальности, и именно поэтому QBism остаётся спортом меньшинства.
И что теперь? Входит Маркус Мюллер, сам себя называющий «сумасшедшим» и теоретик Венского университета.
Его ответ заключается в том, чтобы поднять ситуацию на ступеньку выше.
«QBism недостаточно экстремален», — говорит он.
«Он предполагает, что существует некий внешний мир, который в конечном счёте ответственен за наш опыт. Мой подход начинается с того, что я не допускаю существования такого мира».
Это значит представить, что не существует фундаментальных законов природы — ни общей теории относительности, ни уравнений Максвелла, ни принципа неопределённости Гейзенберга — и задаться вопросом, как бы тогда выглядел мир.
Ответ может вас удивить.
«Это очень странно: в итоге вы оказываетесь во вселенной, построенной непосредственно на основе нашего опыта».
Ведь даже если вы отбросите физику, логика математики останется — и именно здесь Мюллер начинает строить свой гипотетический мир.
Допустим, у вас есть некоторый опыт X:
вы наблюдаете за миром и видите результат X.
Учитывая это, какова вероятность того, что вы столкнётесь с другим исходом Y? Существует раздел математики, который занимается именно такими вопросами.
Это называется алгоритмическая теория информации и это показывает, как делать прогнозы на основе индуктивных рассуждений в духе байесовской статистики:
Если событие X произошло, существует уравнение, позволяющее вычислить вероятность того, что за ним последует событие Y.
Мюллер хотел посмотреть, к чему приведут эти рассуждения в мире, где больше ничего не формирует его.
Он представлял опыт каждого человека в каждый момент времени в виде последовательности битов информации — единиц и нулей, как в двоичном компьютерном коде.
Таким образом, история каждого наблюдателя состояла из последовательности различных возможных битовых строк, и вероятность перехода от одной к другой была случайной, но условной:
при этом необходимо учитывать историю приобретённого опыта.
Идея, по словам теоретика Джулио Чирибеллы из Университета Гонконга,
«Нужно думать о нашем опыте как о фильме, состоящем из множества кадров, и задаваться вопросом: учитывая кадры, которые я уже видел, какой кадр я увижу следующим?»
Вы могли бы подумать, что такая картина вряд ли могла бы привести к тому, что мы наблюдаем:
Вселенная, управляемая законами и порождающая факты, которые, насколько мы можем судить, одинаковы для вас и для меня.
Но когда Мюллер использовал методы алгоритмической теории информации, чтобы выяснить, какие последовательности битовых строк наиболее вероятны, он обнаружил нечто примечательное.
По мере накопления этих случайных событий условная вероятность следующего события, описываемого последовательностью битов, как правило, выше для более простых последовательностей битов, чем для сложных.
Это выглядит так, будто существует довольно простой алгоритм, генерирующий битовые строки. Таким образом, наблюдатель выводит простую «модель» реальности, характеризующуюся регулярными и понятными законами, которые плавно переходят от одного опыта к другому.
Это кажется глубоко странным:
как случайность может привести к такому, казалось бы, ограниченному законом поведению?
Это немного похоже на то, как мы понимаем газ.
Хотя в принципе возможны все возможные конфигурации его молекул, распределение вероятностей скоростей частиц, которое мы наблюдаем, имеет простую колоколообразную форму, а частицы распределены в пространстве с равномерной плотностью.
Из этого вытекают простые законы, относящиеся к вещам, которые мы можем легко измерить:
давление, температура и объём.
Эти законы не записаны в самих частицах газа; они являются возникающим свойством вероятностей различных конфигураций.
«Примечательно, что представление об объективном внешнем мире возникает автоматически в долгосрочной перспективе», — говорит Мюллер.
Что ещё:
«Разные наблюдатели, как правило, сходятся во мнениях относительно свойств внешнего мира».
Это происходит потому, что, согласно теории алгоритмической информации, вероятности битовых последовательностей для разных наблюдателей будут стремиться к одному и тому же распределению, то есть они согласятся с тем, каковы «законы мира».
«В целом, фильм, скорее всего, будет простым, и разные зрители, скорее всего, согласятся с некоторыми аспектами сюжета», — говорит Чирибелла.
Сюрпризы на этом не заканчиваются.
Эта возникающая реальность должна обладать именно теми качествами, которые мы видим в квантовой физике, где объекты могут проявлять волновые свойства и вести себя «нелокальным» образом, когда измерение одной частицы может мгновенно повлиять на состояние другой, удалённой в пространстве.
В итоге, исходя из самых минимальных предположений о вероятности того, что будет содержать наш личный опыт, вы можете воссоздать мир, подобный тому, который мы знаем.
«Мир всё равно мог бы выглядеть примерно так, как мы его воспринимаем, даже если на самом деле он был бы совершенно другим», — говорит Мюллер.
Непросто понять, как можно проверить идеи Мюллера.
Но косвенные доказательства того, что он может быть на верном пути, связаны с тем, как они решают проблему мозга Больцмана — почти метафизическую головоломку, которая предполагает, что мы не те существа, которыми себя считаем.
Тем не менее, этот образ Вселенной, созданный непосредственно на основе наблюдений, настолько «экзотичен», что другие исследователи едва ли знают, что с ним делать.
Это:
«Очень интересная отправная точка, которая вызывает новые вопросы», — говорит Чирибелла.
Тем временем Брукнер придерживается непредвзятого мнения.
«У Маркуса хорошее концептуальное понимание и математическая подготовка, что позволяет ему выходить за пределы зоны комфорта и предлагать реальные концептуальные изменения и модификации наших теорий», — говорит он.
Сам Мюллер прекрасно понимает, что выбрал непростой путь, но утверждает, что он того стоит.
«Это не так безумно, как кажется на первый взгляд», — говорит он.
«Но убедить людей будет непросто, поскольку предлагаемый им взгляд на мир настолько необычен и отличается от того, к чему мы привыкли».
Сознательный коллапс
Идея о том, что сознание вызывает коллапс волновой функции, процесс, при котором множество возможных результатов измерения становятся одним определённым, не является абсурдной по своей сути.
И всё же физики долгое время считали это довольно сомнительным предположением, потому что оно, по-видимому, подменяет одну загадку другой:
Мы понятия не имеем, как описать сознание, так как же мы можем ожидать, что узнаем, как оно вызывает коллапс?
Келвин Маккуин, философ из Университета Чепмена в Калифорнии, и Дэвид Чалмерс из Австралийского национального университета в Канберре недавно начали утверждать, что теперь мы можем делать вещи более точными.
Дуэт опирается на теорию интегрированной информации, которая утверждает, что сознание возникает в результате взаимодействия нейронов в мозге.
Его изобретатель, нейробиолог Giulio Tononi В Университете Висконсин-Мэдисон даже предложили математическую меру сознания, известную как Phi, основанную на том, как компоненты системы обмениваются информацией и объединяют её.
Интегрированная теория информации бросает вызов представлению о том, что сознание – это всё или ничего. Это оставляет открытой возможность того, что нечеловеческие существа и, возможно, даже более простые (например, искусственные) системы могут обладать некоторым уровнем сознания.
Эта идея ещё не была проверена, и никто не смог сформулировать, как можно вычислить Phi для человеческого мозга. Но эта перспектива побудила Маккуина и Чалмерса предложить смелый способ проверить, действительно ли сознание вызывает коллапс волновой функции.
В принципе, говорит Маккуин, можно провести обычный квантовый эксперимент с изюминкой:
сами частицы были бы наделены своего рода вычислительными возможностями, но при этом оставались бы достаточно маленькими, чтобы демонстрировать наблюдаемое квантовое поведение.
Если бы у таких частиц была достаточно большая величина Phi, они могли бы автоматически вызывать коллапс и не проявлять квантовых эффектов, таких как волновая интерференция, которые проявляли бы частицы того же размера, но с меньшей величиной Phi.
Маккуин не питает иллюзий относительно того, насколько сложно было бы провести такой эксперимент.
«Я не привязан к этой идее, — говорит он, — но я хочу увидеть, как её опровергнут или подтвердят, как только станет ясно, как создать подходящие системы для тестирования».
Космические Мозги
В конце 19го века австрийский физик Людвиг Больцман описал мир как пространство, заполненное частицами, которые хаотично движутся, принимая самые разные конфигурации.
Эксперименты давно подтвердили, что наша реальность соответствует этому представлению, но есть одна проблема.
Если вы проанализируете вероятности каждой конфигурации, то обнаружите, что вероятность того, что мы являемся разумными существами, которые эволюционировали на планете в течение миллиардов лет, гораздо ниже, чем вероятность того, что мы являемся эфемерными одиночными «мозгами», возникшими из хаоса по чистой случайности и свободно парящими в пространстве, с воображаемыми воспоминаниями и опытом.
Откуда нам знать, что мы не являемся «мозгами Больцмана», готовыми в любой момент раствориться в изменчивом космосе?
Физики и философы десятилетиями размышляли над этим. Но радикально новый взгляд может решить эту проблему.
Если объективная реальность возникает в результате математически предсказуемого способа, которым наш прошлый опыт определяет будущие наблюдения, то внезапные разрывы в опыте, с которыми столкнулись бы мозги Больцмана, будут исчезающе маловероятными.
Опыт должен быть плавным, последовательным и, по нашему мнению, довольно предсказуемым.
Подобные аргументы делают маловероятным предположение некоторых исследователей о том, что мы являемся не более чем «разумными агентами» в космической компьютерной симуляции некоего сверхразума.
Это тоже было бы уязвимо для внезапных событий, таких как отключения, в то время как у нас есть устойчивое восприятие реальности.
