В 1999 году выдающийся ученый В.Л.Гинзбург опубликовал список важнейших проблем физики [2], которые, по его мнению, будут определять развитие этой науки в начале нового века. Но в данной статье мы коснемся проблем, которые Виталий Лазаревич не включил в этот список, а перечислил их отдельно, назвав тремя “великими проблемами”. Речь идет об интерпретации квантовой механики (механики микромира), стреле времени (необратимости процессов во времени, появляющейся не смотря на обратимость основных динамических уравнений физики) и возможности сведения феномена жизни к физике (редукционизм). Теперь мы можем говорить, что это, наверное, самые трудные из всех проблем, стоящих перед физиками, но зато и самые интересные и интригующие. По поводу этих проблем сказано много и получено множество любопытных результатов, но мы попробуем разобраться в их сути. Как стало понятно в последнее время, эти проблемы на самом деле являются взаимосвязанными и обсуждать их в отрыве друг от друга нельзя. Постараемся увидеть эти связи и начнем с первой из великих проблем – проблеме интерпретации квантовой механики.
Когда возникает вопрос об интерпретации квантовой механики, необходимо понимать, что эта проблема непосредственно связана с квантовыми измерениями, поскольку именно при описании таких измерений и возникает вопрос об их интерпретации. В настоящее время активно обсуждаются более десяти различных интерпретаций и формулировок квантовой механики, но, к сожалению, формат этой статьи не позволяет в полной мере осветить их все. Попытаемся выделить наиболее активно обсуждаемые в современной физике интерпретации, привлекая при этом некоторые иные соображения.
В центре современных исследований в этом направлении находится предложенная в 1958 году Эвереттом интерпретация квантовой механики, часто называемая “многомировой”. С другой стороны, наибольшее распространение среди физиков, да и не только среди физиков, получила самая старая и проверенная копенгагенская интерпретация, которую иногда называют “ортодоксальной”, разработанная еще Нильсом Бором в ходе интенсивных дискуссий с другими создателями квантовой механики, в том числе с Эйнштейном. Эти две интерпретации качественно отличаются друг от друга. Следует отметить, что многочисленные интерпретации, предлагаемые другими авторами, являются по существу вариантами этих двух, отличаясь от них несущественными деталями. Следующим шагом в решении этой проблемы явилась предложенная в 2000 году М.Б.Менским расширенная концепция Эверетта [3]. По существу эти три концепции представляют собой различные решения первой из “трех великих проблем”. Иногда говорят, что нужно выяснить, какая интерпретация правильна. Однако современная физика склоняется в настоящее время к тому, что данная постановка вопроса просто неверна. В настоящее время существует отчетливое представление, что разные концепции – это различные описания одного и того же процесса, квантового измерения. Все описания правильны, но они описывают этот процесс на разных уровнях, в большей или меньшей степени раскрывая суть происходящего при измерениях.
Появление квантовомеханических парадоксов, примером которых может служить парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена, или всем известный кот Шредингера, делает очевидным то, что дать интерпретацию квантовой механики, значит объяснить, как в квантовой механике понимается реальность, или, другими словами, пояснить, что такое квантовая реальность. Обратимся к упомянутым выше квантовомеханическим концепциям.
КОПЕНГАГЕНСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
Суть данной интерпретации можно сформулировать следующим образом. Положим, что мы имеем дело с квантовомеханической системой. Описание этой системы (решение уравнения Шредингера) говорит нам, что она находится в состоянии, являющимся суперпозицией следующего вида
C1X1+C2X2+……..+CnXn
где компоненты {CnXn} соответствуют различным результатам измерения на данном приборе. Однако, реальные измерения, проведенные этим прибором, говорят нам о том, что система находится в каком-то одном определенном состоянии, из тех, что входят в суперпозицию. Причем выбор этого состояния можно попробовать предугадать, опираясь на коэффициент , имеющий смысл вероятности обнаружения соответствующего состояния, но только предугадать, а не указать результат измерения точно. То, что при этом происходит, а именно, выбор одной компоненты суперпозиции и исчезновение остальных, называется редукцией состояния, или коллапсом волновой функции. Такое изменение состояния измеряемой системы является скачкообразным, необратимым. При измерении возникает скачок от состояния, описываемого суперпозицией, к состоянию, описываемому одной компонентой этой суперпозиции.
Таким образом, в рамках копенгагенской интерпретации сам процесс измерения квантовой системы является необратимым процессом. Измерения, впрочем, не только те, которые специально организуются экспериментатором, но и те, что происходят спонтанно в результате воздействия окружения системы, вводят в квантовую механику необратимость. Другими словами, сам процесс измерения, а под таковым мы понимаем любое внешнее воздействие на квантовомеханическую систему, порождает появление стрелы времени. Возникает необратимость. Тем самым устанавливается первая связь между «великими проблемами». Отметим еще один факт. В копенгагенской интерпретации редукция состояния была постулирована. (Корректность этого постулата была показана фон Нейманом).
Однако, сам постулат редукции может быть подвергнут сомнению, что, собственно, и происходило с самого начала становления квантовой механики. И эти сомнения обрели достаточно прочную почву, когда была развита теория декогерентности. Суть этой теории заключается в следующем. Попробуем рассмотреть исходную квантовомеханическую систему и измеряющий прибор в рамках единой квантовой системы. Тогда процесс измерения будет являться обычным взаимодействием между подсистемами нашей новой системы. И теперь, поскольку наша система едина, мы можем применить к ней основные положения квантовой механики (использовать для ее описания уравнение Шредингера). Тогда мы с необходимостью придем к сохранению в итоге суперпозиции состояний новой системы. При этом все члены полученной суперпозиции могут, как то изменяться в процессе измерения, но ни один из них не будет обращаться в ноль! Редукции, т.е. выбора одной компоненты и исчезновения остальных, не будет. Другими словами, с этой точки зрения, квантовая механика исключает редукцию состояний!
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭВЕРЕТТА («МНОГОМИРОВАЯ» ИНТЕРПРЕТАЦИЯ)
Итак, если мы верим, что линейная квантовая механика верна, т.е. эволюция системы описывается уравнением Шредингера, то редукцию состояний системы мы должны каким-то образом исключить. Ответ на вопрос, как это можно сделать, дает интерпретация Эверетта, предложенная в 1958 году. Попробуем найти этот ответ, следуя логике этой интерпретации.
Мы выяснили: квантовая механика говорит нам, что редукции состояний быть не может. Следуя этому утверждению, принимаем это положение, то есть, говорим, что все компоненты суперпозиции выживают в процессе эволюции системы, включая в эволюцию и процесс измерения. Тогда возникает вопрос, почему наблюдатель видит только один результат измерений, соответствующий только одной компоненте суперпозиции.
Процесс измерений может привести к различным результатам, которые в сознании наблюдателя будут исключать друг друга, т.е. будут являться “альтернативами”, а в суперпозиции присутствуют все альтернативы. В интерпретации Эверетта полагается, что все альтернативы по-прежнему содержатся в описании состояния, но теперь существенную роль в рассуждениях начинает играть наблюдатель, а, точнее, сознание наблюдателя. Существенно, что картина, которая формируется в сознании наблюдателя, является чисто классической. Это картина классического мира, причем в сознании наблюдателя присутствует только одна из альтернативных картин классического мира, соответствующая квантовому измерению. Поясним, как это совмещается с тем, что в квантовой суперпозиции присутствуют все альтернативы, соответствующие различным классическим картинам мира. Чтобы преодолеть это противоречие в интерпретации Эверетта принимается следующее положение. Все компоненты суперпозиции существуют и описывают различные альтернативы, но сознание разделяет эти альтернативы. Сознание наблюдателя воспринимает эти альтернативы раздельно. Если человек видит одну из альтернатив, при этом он не может видеть остальные. Разделение альтернатив сознанием – это одна из формулировок интерпретации Эверетта. Подобная формулировка, удобная для объяснения появления стрелы времени, является одной из возможных формулировок данной интерпретации. Существуют и другие. Например, формулировка, согласно которой существуют различные классические миры – эвереттовские миры, соответствующие всем возможным альтернативам. Каждый наблюдатель, согласно этой формулировке, существует в каждом из эвереттовских миров. Последняя формулировка достаточно широко распространена в силу своей наглядности, но она иногда может привести к недоразумениям, поскольку в ней содержится существенная неточность: нужно говорить не о различных классических мирах, а о различных классических состояниях одного единственного мира и о суперпозиции этих состояний. Если принять положение о разделении классических альтернатив сознанием, то при описании картины, возникающей в сознании наблюдателя, получается то же самое, что предсказывает постулат редукции копенгагенской интерпретации. Субъективно наблюдатель будет осознавать только один из альтернативных классических картин мира. И снова данное наблюдение приводит нас к возникновению стрелы времени. Только данное представление примиряет нас с линейной квантовой механикой. На самом деле все альтернативы существуют, но в сознании они разделены. Сознание, как и состояние материального мира, тоже, как будто бы состоит из множества компонент, отображающих различные альтернативы, которые субъективно предстают взаимно исключающими. Отсюда следует еще один замечательный вывод. Стрела времени, объективно не существующая в квантовом мире, возникает только в сознании наблюдателя. Наблюдатель, видя одну из альтернатив, не видит остальных. Субъективно полученная картина не отличается от выбора одной из альтернатив и исчезновения других, т.е. от картины редукции состояния, характерной для копенгагенской концепции. Однако теперь, в свете концепции Эверетта, приходится признать, что редукция состояния – это лишь иллюзия, возникающая в сознании наблюдателя, или, другими словами, редукция состояния – есть специфическое свойство сознания.
ВЕРОЯТНОСТНАЯ ФОРМУЛИРОВКА КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ
Обсуждая основные положения концепции Эверетта, мы невольно пришли к понятию различных вероятностных альтернатив классического мира. К этому с необходимостью привела нас квантовая механика. В этом месте дотошный читатель может усмотреть явное противоречие. Как это так, ведь классический мир, описываемый обычной классической механикой, как нас учили еще в школе, полностью детерминирован! О каком вероятностном описании, о каких эвереттовских мирах идет речь, что в этом случае может выбирать сознание? Далее попробуем понять, что и это противоречие на самом деле является весьма поверхностным.
Для этого вспомним основные положения классической механики. В классической механике состояние системы полностью определяется положением и скоростями составляющих рассматриваемой системы. Если у нас есть полная механическая информация о компонентах классической системы в какой-то момент, то решая уравнения движения (например, уравнение Ньютона) мы всегда сможем описать эту систему в любой момент времени, причем сделаем это точно. В этом суть детерминизма классической механики. Детерминизма, не оставляющего в описании классической системы места для иных гипотез и соображений. Детерминизма, давшего повод для критики основных положений классической науки с момента ее становления и по настоящее время.
Чтобы иметь возможность сравнить подобные детерминированные утверждения классической механики с существенно вероятностными утверждениями механики квантовой, обратимся к несколько более общему описанию классической системы. Обратимся к случаю, когда имеющаяся у нас информация о классической системе не столь определена, когда мы не можем точно указать состояние классической системы, а можем говорить только о вероятностном распределении ее механических параметров. Надо полагать, что такой подход к описанию системы является более реалистичным, поскольку на практике не существует методов и способов бесконечно точного задания исходных механических параметров системы. Что осмыслить результаты подобного предположения, нужно понять, что не все окружаемые нас системы ведут себя одинаково. Существуют классические системы, для которых малые, даже вероятностные изменения начального состояния не приводят к существенным изменениям в их эволюции. Такие системы называются устойчивыми. Как правило, к таковым относятся простейшие системы. Однако существуют и такие системы, у которых даже маленькие вариации их состояния приводят к кардинальному изменению их поведения в дальнейшем. Это неустойчивые системы. Следует указать, что вторые системы, как правило, и составляют наш мир. При этом не секрет, что существуют условия, при которых устойчивые системы перестают быть таковыми.
Таким образом, фактически, мы определяем исходное экспериментальное метасостояние, являющееся, по сути, суперпозицией различных начальных состояний механической системы, реализуемых в действительности с какой-то вероятностью. А далее, в процессе эволюции такого метасостояние происходит его дальнейшее развитие, причем о редукции такой суперпозиции речи идти не может. В классической механике нет механизма, который смог бы обеспечить такую редукцию, или, другими словами, выделить из суперпозиции различных вероятностных состояний классической механической системы одно, измеряемое в эксперименте. Следует отметить и тот факт, что в случае неустойчивости системы, возникающие в нашем описании альтернативы классического мира, могут достаточно сильно отличаться друг от друга. Отсюда несложно прийти к выводу: классическая физика, как бы это ни было парадоксально, не противоречит обсуждаемым в данной статье трактовкам квантовой механики.
РАСШИРЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЭВЕРЕТТА
Обратимся теперь к расширенной концепции Эверетта, предложенной в 2000 году М.Б.Менским [3] и развитой им в дальнейших работах, например, [4,5]. Концепции, которая позволяет рассмотреть квантовое измерение на еще более глубоком уровне и приводит к ряду весьма любопытных следствий. Шаг, который расширяет и углубляет концепцию Эверетта, заключается в отождествлении сознания с разделением альтернатив. Попытаемся понять данное утверждение. Начнем с основной концепции Эверетта. Итак, утверждаем, что все альтернативы существуют, но сознание разделяет эти альтернативы. Если вдуматься в данное утверждение, то два центральных понятия в нем не определены и в настоящее время не могут быть определенными. На самом деле, оперируя понятием “разделение альтернатив”, мы на самом деле не совсем понимаем, что это означает и вынуждены ограничиваться смутным интуитивным представлением об этом. Точно так же, оперируя понятием “сознание”, мы не можем дать этому понятию точного определения, ограничиваясь, как и в предыдущем случае, интуитивным пониманием. Физики в рамках квантовой механики не могут объяснить разделения альтернатив, а психологи, философы и физиологи не могут однозначно определить понятие сознания. Очевидно, что феномен сознания как то связан с работой мозга, но пояснить этот феномен работой мозга не удается. Скорее наоборот, сознание задает направление работе мозга, координируя эту работу.
Расширенная концепция Эверетта предлагает отождествить два плохо определенных понятия – “сознание” и “разделение альтернатив”. Принимается, что сознание – это и есть разделение альтернатив. В данном случае, во-первых, вместо двух плохо определенных понятий мы получаем одно, а, во-вторых, это понятие теперь освещается с двух сторон: с точки зрения физики и с точки зрения психологии. С точки зрения физики не вполне понятное понятие разделения альтернатив поясняется тем, что мы знаем о сознании и аналогично, понятие сознания дополняется тем, что физика знает о разделении альтернатив. Большего тут ожидать не приходится, поскольку эти понятия являются базовыми и могут восприниматься только в связи с другими понятиями, которыми оперирует физика и психология. И есть еще один момент, который нельзя не вспомнить. Такое объединение понятий позволяет объяснить ряд явлений, которые хорошо известны, но своего объяснения до сих пор не получили.
На первый взгляд кажется, что такое отождествление сознания с разделением альтернатив ничего существенно не меняет в картине измерения. Но это далеко не так. Теперь, после объединения этих понятий, мы можем задать вопрос, который уже не относится к физике, а выходит за ее рамки: что происходит, если сознание выключается, гасится? Или, если пользоваться классификацией Юнга, что происходит в состоянии бессознательного (сон, транс, медитация и т.д.)? Следуя утверждению расширенной концепции Эверетта, логично утверждать следующее. Когда сознание погашено, разделение альтернатив становится неполным. В этом случае, сознание в погашенном состоянии начинает воспринимать не только одну альтернативу, но и альтернативы, лежащие рядом с ней. Следовательно, находясь в состоянии погашенного сознания, субъект, воспринимая некоторую классическую альтернативу, может в то же время заглядывать и в другие альтернативы. К этому следует добавить предположение о том, что субъект, наблюдающий некоторую альтернативу, может модифицировать вероятность того, какая альтернатива будет наблюдаться в ближайшем будущем. В рамках расширенной концепции Эверетта такое предположение становится естественным, потому, что разделение альтернатив, после того, как оно отождествлено с сознанием, можно рассматривать двояко: как специфическое описание того, что происходит в квантовом мире и как психический феномен. Подобный подход позволяет подойти к логическому объяснению таких, ранее недоступных физике явлений, как ”гениальные озарения”, “свобода выбора”, “свобода воли” и прочее.
Предположения, принятые в расширенной концепции Эверетта, весьма непривычны и нехарактерны для физики. Однако, логическая структура теории при таких предположениях оказывается проще, чем в копенгагенской концепции и концепции Эверетта. И еще один момент. Эти предположения позволяют собрать воедино три “великие проблемы” и включать в круг рассматриваемых явлений, явления, ранее никаким образом к физике не относящиеся.
[1] Менский М.Б., Квантовые измерения, феномен жизни и стрела времени: связи между
«тремя великими проблемами» (по терминологии Гинзбурга).- УФН, т.177, №4, 2007,
с.415-425
[2] Гинзбург В.Л., Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас
особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге XXI
века)? – УФН, т.169, №4, 1999, с. 419-441
[3] Менский М.Б., Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые
формулировки старых вопросов.- УФН, т.170, 2000, с.633-648
[4] Менский М.Б., Диссипация и декогеренция квантовых систем.- УФН, т.173, №11, 2003,
с.1200-1219.
[5] Менский М.Б., Концепция сознания в квантовой механике.- УФН, т.175, №4, 2005, с.
413-435.
gopman
Рейтинг публикации:
|
