galaxies

Квантовая Космология и Природа Сознания

Возможность, описанная ранее, представляет элементарный пример высокомерия науки. Можно, конечно, рассмотреть эту возможность всерьез, потому что она показывает, что не может быть ничего вне физики и технологии в процессе создания вселенной. Однако, может быть наше понимание вселенной слишком упрощенно? Может быть мы делаем концептуальную ошибку, когда мы предполагаем, что вселенная реальна, и что этого достаточно?

Очень трудно ответить на этот вопрос, но мы можем попытаться, по крайней мере, посмотреть на него внимательно. Хорошая отправная точка – квантовая космология, теория, которая пытается объединить космологию и квантовую механику.

Если квантовая механика верна, то можно попытаться найти функцию волны вселенной. Это позволило бы нам узнать, какие события вероятны, а какие не случатся. Однако это часто приводит к проблемам интерпретации. Например, на классическом уровне можно говорить о возрасте вселенной t. Однако, сущность уравнения Уилера-Де Витта, которое является уравнением Шредингера для функции волны вселенной, в том, что эта функция волны не зависит от времени, так как полная функция Гамильтона вселенной, включая функцию Гамильтона поля тяготения, исчезает тождественно. Этот результат был получен в 1967 “отцом” квантовой космологии Брюсом Де Виттом. Поэтому, если бы мы захотели описать развитие вселенной с помощью функции ее волны, то оказались бы в беде: вселенная не изменяется во времени, она бессмертна и мертва.

Разрешение этого парадокса довольно поучительно. Понятие развития не применимо к вселенной в целом, так как нет никакого внешнего наблюдателя относительно вселенной, и нет никаких внешних часов, которые не принадлежали бы вселенной. Однако мы не спрашиваем, почему в целом вселенная развивается так, как мы видим. Мы просто пытаемся понять наши собственные экспериментальные данные. Более точно сформулированный вопрос состоит в том, почему мы видим, что вселенная развивается во времени в текущем направлении. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала разделить вселенную на две главных части: наблюдатель с его часами и другими измерительными приборами и остальная часть вселенной. Тогда можно показать, что функция волны остальной части вселенной действительно зависит от пространства часов наблюдателя, то есть от его “времени”. Эта временная зависимость в некотором смысле “объективна”. Результаты, полученные различными (макроскопическими) наблюдателями, живущими в том же самом квантовом состоянии вселенной и использующими достаточно хороший (макроскопический) измерительный прибор, согласуются друг с другом.

Мы видим, что при исследовании функции волны целой вселенной каждый иногда получает информацию, у которой нет прямого отношения к наблюдаемым данным, например, что вселенная не развивается во времени. Чтобы описать воспринимаемую нами вселенную, нужно разделить вселенную на несколько макроскопических частей и вычислить условную вероятность наблюдения ее в данном пространстве при необходимом предположении, что наблюдатель и его измерительный прибор действительно существуют. Без наблюдателя у нас есть мертвая вселенная, которая не развивается во времени. Это означает, что наблюдатель – одновременно создатель?

Эта проблема известна нам больше 30 лет, но тогда было легко ее проигнорировать. Действительно, мы знаем, что вселенная огромна, и квантовая механика важна только для описания чрезвычайно маленьких объектов, таких как элементарные частицы. Поэтому для решения практических задач можно было забыть о тонкостях квантовой механики: не было никакой реальной необходимости применять квантовую механику ко вселенной в целом.

Однако в контексте инфляционной космологии ситуация совершенно иная. Мы теперь знаем, что галактики появились в результате малых квантовых колебаний, произведенных во время инфляции. Сама вселенная могла возникнуть из менее чем миллиграмма материи, сжатого в миллиарды раз, меньше, чем размер электрона. Его различные части были сформированы во время квантового процесса самовоспроизводства вселенной. Можно даже рассмотреть нашу часть вселенной как чрезвычайно долго живущее квантовое колебание. В такой ситуации проблемы интерпретации квантовой механики становятся крайне важными для дальнейшего продвижения космологии.

Давайте вспомним известный парадокс кошки Шредингера. Предположим, что у нас есть кошка в коробке, и ее состояние (мертвая или живая) зависит от вероятности  в квантовой механике. Согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, кошка не мертва и не жива, пока наблюдатель не откроет клетку и не увидит состояние кошки. В этот момент наблюдатель уменьшает свою функцию волны до функции волны мертвой или живой кошки. Бессмысленно спрашивать, была ли кошка действительно мертва или действительно жива прежде, чем мы открыли клетку.

Это походит на шутку. Здравый смысл говорит нам, что кошка реальна, и она может быть мертвой или живой, но не может быть полумертвой-полуживой. Мы рады, что квантовая механика помогает нам сделать атомную бомбу и CD-плеер, но мы не хотим тратить время, размышляя о проблемах интерпретации квантовой механики, пока мы можем просто использовать правила и получить результат. Давайте проигнорируем этот парадокс; кто-нибудь все равно позаботится об этой кошке?

Но после изобретения инфляционной теории мы должны думать о вселенной, описываемой квантовой механикой. Это – чисто профессиональная проблема. Предположим, что кто-то спрашивает Вас, как вселенная вела себя в течение первой миллисекунды после Большого взрыва. Согласно квантовой механике, такой вопрос – неправильный. Действительность существует в восприятии наблюдателя, а в ранней вселенной не было никаких наблюдателей. Конечно мы не обязаны знать точный ответ. Мы только должны составить ряд возможных путей развития вселенной, взять подмножество этих путей, совместимых с нашими существующими наблюдениями, и использовать это подмножество, чтобы прогнозировать будущее. Этого достаточно с чисто прагматической точки зрения, пока каждый признает ограничения науки и не задает слишком много вопросов. Если мы не заботимся о кошке, мы также не заботимся о вселенной. Но тогда мы не заботимся и о действительности материи…

Этот пример демонстрирует необычайно важную роль понятия «наблюдателя» в квантовой космологии. При обсуждении квантовой космологии большую часть времени можно оставаться в пределах границ, установленных чисто физическими категориями, считая наблюдателя абстракцией и не задавая вопросов, имеет ли он сознание и чувствует ли он что-нибудь во время процесса наблюдения. Это ограничение вполне допустимо при решении многих практических задач. Но мы не можем исключить принципиальную возможность того, что избегая понятия сознания в квантовой космологии, мы искусственно сужаем перспективы. Много авторов подчеркнули сложность ситуации, заменяя слово «наблюдатель» словом «участник», и вводя такие термины как «вселенная самонаблюдения». Фактически мы ставим такой вопрос: является ли стандартная физическая теория закрытой системой относительно своего описания вселенной в целом на квантовом уровне; действительно ли можно полностью понять вселенную до того, как мы полностью поймем, что такое жизнь?

Давайте вспомним пример из истории науки, который может оказаться довольно поучительным. До появления специальной теории относительности пространство, время и материя казались тремя существенно различными явлениями. Пространство было своего рода трехмерной координационной сеткой, которая при добавлении измерения времени позволяла описывать движение материи. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единое целое. Но пространство-время осталось чем-то вроде неподвижной арены, на которой свойства материи стали явными. Как и прежде, само пространство не обладало никакими особенными степенями свободы, и пространство продолжало играть вторичную, подвластную роль, как инструмент для описания действительно важного материального мира.

Общая теория относительности полностью изменила наш взгляд на это. Обнаружилось, что пространство-время и материя взаимозависимы, и теперь бессмысленно спрашивать, что из них важнее. Также обнаружилось, что у пространства-времени есть свои собственные врожденные степени свободы, связанные с волнениями метрики – гравитационными волнами. Таким образом, пространство может существовать и изменяться со временем в отсутствие электронов, протонов, фотонов, и т.д.; в отсутствие всего, что раньше (то есть до Общей теории относительности) включали в категорию терминов материи.

Наконец появилась идея единой геометрической теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия, включая тяготение. До конца 1970-ых такая программа казалась нереализуемой; были доказаны строгие теоремы, что невозможно объединить пространственную симметрию с внутренней симметрией теории элементарных частиц. К счастью, эти теоремы удалось обойти после открытия суперсимметрических теорий. В этих теориях все частицы могут интерпретироваться с точки зрения геометрических свойств многомерного суперпространства. Пространство перестает быть просто необходимым математическим дополнением для описания реального мира, и вместо этого становится более-менее независимым явлением, постепенно охватывая все материальные частицы под покровом своих собственных степеней свободы. Теперь мы не используем «пространство» чтобы описать единственную реальную вещь – материю, мы используем понятие «материи», чтобы упростить описание суперпространства. Это изменение картины мира – возможно одно из самых глубоких (и наименее известных) последствий современной физики.

Теперь давайте рассмотрим сознание. Согласно стандартной материалистической доктрине, сознание, как пространство-время перед изобретением Общей теории относительности, играет вторичную, подвластную роль. Оно рассматривается просто как функция материи и нашего инструментария для описания действительно существующего материального мира. Но давайте помнить, что наше знание мира начинается не с материи, а с восприятия. Я знаю наверняка, что моя боль существует, мой “зеленый цвет” существует, и моя “конфета” существует. Я не нуждаюсь ни в каком доказательстве их существования, потому что эти события – часть меня; все остальное – теория. Позже мы узнаем, что наше восприятие повинуется некоторым законам, которые можно очень удобно сформулировать, если мы предположим, что есть некоторая основная действительность вне нашего восприятия. Эта модель материальных законов о строении мира физики так успешна, что скоро мы забываем о нашей отправной точке и говорим, что материя – единственная действительность, и восприятие только необходимо для ее описания. Это предположение почти столь же естественно (и возможно столь же ложно), как наше предыдущее предположение, что пространство – только математический инструмент для описания материи. Но фактически мы заменяем действительность наших чувств успешно работающей теорией существующего независимо от нас материального мира. И эта теория так успешна, что мы почти никогда не думаем о ее ограничениях, пока нам не приходится обратиться к некоторым действительно глубоким проблемам, которые не вписываются в нашу модель действительности.

Конечно возможно, что никаких подобных модификаций и соединения понятий пространства-времени и сознания не произойдет в ближайшие десятилетия. Но исследования в квантовой космологии научили нас, что простая постановка проблемы, которая могла бы на первый взгляд иногда казаться полностью метафизической, обретает реальное значение и становится очень существенной для дальнейшего развития науки. Мы хотели бы рискнуть и сформулировать несколько вопросов, на которые у нас еще нет ответов.

Возможно ли, что у сознания, как у пространства-времени, есть свои собственные особенные степени свободы, и что пренебрежение ими приведет к неполному описанию вселенной? Что если наше восприятие столь же реально (или в некотором смысле еще более реально), как и материальные объекты? Что если мой красный цвет, мой синий цвет, моя боль, является реально существующими объектами, а не просто проявлениями реально существующего материального мира? Действительно ли можно ввести «пространство элементов сознания» и исследовать такую возможность, что сознание может существовать отдельно, даже в отсутствие материи, точно так же, как гравитационные волны, возбуждения пространства, могут существовать в отсутствие протонов и электронов? Не окажется ли дальше, что исследование вселенной и исследование сознания будут неразрывно связаны, и что окончательное продвижение в первом невозможно без продвижения во втором? После развития объединенного геометрического описания слабых, сильных, электромагнитных, и гравитационных взаимодействий разве следующий важный шаг не будет созданием объединенного подхода к нашему всему миру, включая мир сознания?

Все эти вопросы могли бы казаться несколько наивными, но становится все труднее и труднее разрабатывать квантовую космологию, не пытаясь ответить на них. Еще несколько лет назад казалось глупым спрашивать, почему во вселенной столько разных явлений, почему никто никогда не видел, что параллельные линии пересекаются, почему вселенная почти гомогенна и выглядит примерно одинаково с различных точек, почему пространство-время четырехмерно и так далее. Теперь, когда инфляционная космология обеспечила возможный ответ на эти вопросы, можно только удивляться, что до ее появления в 1980-ых считалось бестактным спрашивать такое.

Вероятно лучше не повторить старые ошибки, а вместо этого честно признать, что проблема сознания и сопутствующая проблема человеческой жизни и смерти не только не решены, но на фундаментальном уровне они почти не исследованы. Заманчиво искать связи и аналогии некоторого вида, даже если они сначала мелкие и поверхностные, в проявлениях еще одной большой проблемы – рождения, жизни и смерти вселенной. В будущем времени может стать ясным, что эти две проблемы не столь несоизмеримы, как казалось.

КОММЕНТАРИИ