Определение сознания. Кубит как элементарное сознание

Мы уже неоднократно касались понятия «сознание», и я высказывал предположение, что этот феномен можно попытаться описать методами квантовой теории. Для этого необходимо сформулировать несколько конструктивных определений. Конструктивных в том плане, что они должны формулироваться в физических терминах (в терминах состояний), чтобы была возможность ввести их в общую физическую модель.

Квантовая теория — это инструмент. И можно ли применить его, определяет одно условие — есть ли различные состояния у рассматриваемого объекта, поскольку квантовая механика оперирует состояниями и хорошо под них «заточена». Если мы готовы признать, что одной из характеристик сознания являются различные его состояния, то этого достаточно, чтобы попытаться применить теоретические методы квантовой механики. Сможем ли мы узнать для себя что-то новое, если подойдем к сознанию с точки зрения квантового описания? Вопросом, возможно ли при этом «постичь смысл» сознания, пока задаваться не стоит. Естественно, что квантовая механика, как и любая другая теория, ограничена и не может показать «истинное положение вещей». Но на то, что квантовомеханический подход способен дать какие-то новые дополнительные штрихи для более глубокого понимания особенностей и закономерностей функционирования сознания, надеяться можно.

Для начала давайте попытаемся определить сознание в терминах состояний. При этом мы не будем задаваться целью понять, что представляет собой сознание «на самом деле», поскольку такими вопросами просто загоним себя в угол. Попытаемся выделить отдельные особенности и характеристики сознания, подпадающие под квантовомеханическое описание, и перечислим те основные операции над состояниями системы, которые являются неотъемлемой частью работы сознания.

Предлагаю взять за основное следующее определение.

Определение 1. Сознание — внутреннее свойство системы (открытой или замкнутой), которое заключается в ее способности различать и реализовывать отдельные допустимые для нее состояния.

С одной стороны, как я полагаю, это определение способно охватить все другие определения, которые только могут быть сформулированы в самых различных науках (философии, психологии и т. д.), а с другой стороны — оно вполне физично и допускает количественное описание, о чем я буду говорить чуть ниже.

Набор различных допустимых состояний системы и их реализация (переходы между состояниями) не выходят за рамки квантовомеханического описания. Мне кажется, что этих двух основных характеристик может оказаться вполне достаточно, чтобы ответить на вопрос, есть ли сознание у того или иного объекта. Поскольку, например, в окружающем мире они сразу показывают качественное отличие объектов неживой природы, которые не имеют возможности выбрать допустимое состояние по своему усмотрению, от живых существ, имеющих перед собой некий набор возможных решений.

Согласно определению 1, будет справедливо следующее утверждение.

Утверждение 1. Необходимым и достаточным условием для наличия сознания в произвольной системе является ее способность различать и реализовывать свои допустимые состояния.

Определение 2. Элементарным сознанием называется сознание односоставной двухуровневой системы, способное различать два основных своих состояния и реализовать любое из них.

То есть элементарное сознание — это «сознательный» кубит, способность системы, описываемой выражением (3.9), «изнутри» нарушить суперпозицию состояний и перейти в одно из двух основных своих состояний: |Ψñ = |0ñ или |Ψñ = |1ñ. Элементарное сознание — способность системы «шевелить» амплитудами а и b в векторе состояния (3.9).

Термин «различать» можно трактовать таким образом: сознание имеет в своем распоряжении набор потенциально возможных состояний, отличающихся, например, по энергии. Система «видит» набор состояний, в которые она может перейти, и эти состояния не вырождены, не равноценны, различны по какой-либо характеристике. Сознание как бы имеет «свободу выбора» между этими состояниями. Самый простой пример можно привести для «элементарного сознания» — кубита. В суперпозиционном состоянии для кубита одновременно существуют два потенциально возможных состояния, в которые он может перейти: 0 и 1.

Реализация состояния — это переход системы в то или иное состояние.

Допустимые состояния — те, которые удовлетворяют наложенным на систему ограничениям. Наиболее очевидное ограничение — по энергии системы, поскольку энергия состояния должна лежать в пределах возможного изменения энергии системы. Можно различать внутренние и внешние ограничения. Внутренние ограничения — когда сознание «видит» свои потенциально возможные состояния, но некоторые из них не будет реализовывать из-за своих внутренних убеждений. Это своего рода квантовомеханическое определение нравственности. А внешние ограничения — те, что налагаются на систему внешним окружением.

Согласно первому определению, сознание — это и есть то внутреннее свойство системы, которое может осуществить «редукцию волновой функции». Нет сознания — окружение будет диктовать свою волю, и состояние будет редуцировано в какое-либо одно из набора других допустимых состояний. Но сознание способно «подкорректировать» этот процесс и перейти в то состояние, которое ему (сознанию) представляется наиболее «выгодным».

Хочу отметить, что в определении предполагается, с одной стороны, возможность сознания осуществить «коллапс волновой функции», поскольку реализация допустимого состояния — это и есть редукция (полная или частичная) вектора состояния. С другой стороны, возможность обратного процесса — перехода от редуцированного состояния к полной суперпозиции состояний, так как последнее тоже является одним из допустимых состояний системы. Можно сказать, что это преобразование квантовой информации в классическую и обратно. Квантовая информация — это то, чем оперирует, манипулирует сознание.

Еще один момент, на который я бы хотел обратить внимание: нужно различать, за счет чего происходит редукция состояния. Обычно в квантовой механике предполагается, что декогеренция (редукция) осуществляется за счет взаимодействия с окружением. Я же полагаю, что феномен сознания необходимо связать с редукцией, осуществляемой самой системой «изнутри». Поэтому я и определил сознание как «внутреннее свойство системы». В случае открытой системы окружение накладывает ограничение на число допустимых состояний, но если есть сознание в открытой системе, то все равно остается огромное число вариантов различных состояний и «свобода воли» — пожалуйста, делай, что хочешь, но опять-таки в рамках допустимых состояний.

Нет необходимости подчеркивать, что сознание — это нематериальная часть системы, поскольку мы и так рассматриваем самый общий случай в терминах состояний, которые могут быть нелокальными (нематериальными). Например, любая наша мысль — это уже реализация одного из наших допустимых состояний. Что касается человека, то к ним относятся не только различные состояния нашего физического тела, но и любые эмоциональные, ментальные состояния, в том числе медитации, нирваны, «не ума» и др. Другое дело, умеет ли человек различать и реализовывать эти состояния. То, какие состояния рассматриваются в каждом конкретном случае, определяется набором базисных состояний, в которых записывается вектор состояния.

Предлагаю также ввести некоторые количественные характеристики сознания.

Определение 3. Мера сознания определяется числом допустимых состояний системы, которые она способна различить.

То есть вводится характеристика, количественно описывающая первую особенность сознания — способность различать состояния.

Поскольку мера сознания связана с числом состояний, она может быть выражена в терминах количества информации, которой способна оперировать система. Элементарное сознание, например, оперирует одним битом классической информации или одним кубитом квантовой информации (и способно перевести квантовую информацию в классическую и обратно).

Для количественной характеристики второй особенности сознания — способности реализовывать, то есть переходить в одно из допустимых состояний, которые система сумела различить, можно ввести другое определение.

Определение 4. Волей называется количественная характеристика сознания, равная числу состояний, которые могут быть реализованы самой системой.

Предполагается, что самостоятельно система способна реализовать только те состояния, какие она сумела различить. Максимальная (абсолютная) воля при этом равна мере сознания, когда система может самостоятельно перейти в любое из состояний, которое смогла различить. Нулевое значение воли соответствует такой системе, которая, несмотря на то что сумела выделить некоторое число допустимых для нее состояний, не способна изменить свое текущее состояние и перейти в новое состояние.

Иметь потенциальную возможность реализации какого-либо состояния мало. Необходимо еще уметь перейти в него. Попытаюсь пояснить этот момент в терминах энергии. Поскольку при квантовомеханическом описании энергия является функцией состояния, то переход из одного состояния в другое связан с умением системы манипулировать и управлять потоками энергии на различных уровнях. И «воля» в моем понимании — это не просто инструмент поиска и выбора оптимального состояния системы, а характеристика «личной силы» системы, то есть ее способности перераспределить энергетические потоки таким образом, чтобы достигнуть определенного допустимого состояния. Свои ограничения здесь накладывает окружение, и понятие «воля» имеет отношение к внешним воздействиям. Реализация определенного состояния в случае открытой системы и есть управляемое взаимодействие с окружением. Но этот термин справедлив и в случае замкнутой системы. Такое выражение, как «Воля Творца», тоже вполне уместно.

Теперь еще несколько дополнительных определений.

Определение 5. Вниманием называется способность сознания выделять из общего числа различимых состояний системы отдельные классы состояний, качественно различные по своим характеристикам.

Определение 6. Классом состояний называются состояния, принадлежащие гильбертову пространству в некотором заданном диапазоне размерностей. В наиболее простом случае минимально узкого диапазона класс состояний принадлежит гильбертову пространству одной размерности.

В последнем случае, например, для системы А состояния типа (АВ), (АС), (АD)... принадлежат одному классу, состояния (АВС), (АСD), (АВD)... — другому классу и т. д.

Определение 7а. Степень развития сознания определяется количеством различных классов состояний, которые система способна выделить своим вниманием.

Определение 7б. Уровень сознания характеризуется тем классом состояний, на который сознание направляет свое текущее внимание.

Определение 8. Самосознание — способность системы различать и реализовывать отдельные, допустимые для нее состояния на верхнем уровне сознания совокупной замкнутой системы.

Сознание самой замкнутой системы, таким образом, совпадает с самосознанием, поскольку оно способно непосредственно оперировать состояниями на верхнем уровне. В случае открытой системы эти два понятия различаются. Подсистема должна еще «дорасти» до возможности «произносить слова» (хотя бы мысленно), вносящие свои (порой самые незначительные) изменения на верхнем уровне сознания.

Комплекс определений может быть расширен, но все они будут являться следствием основного определения. Например, эмоции, мышление, самосознание, наличие памяти можно связать с различными классами допустимых состояний и взаимными переходами между ними (мысль способна породить эмоцию или привести в действие физическое тело, и наоборот).

Если говорить о возможности развития сознания, то уместно предположить, что для этого достаточно возникновения в замкнутой системе одного элементарного сознания, чтобы запустился лавинообразный процесс развития сознания. Представим это следующим образом. Возьмем линейный гармонический осциллятор, описываемый вектором состояния (3.9), амплитуды которого изменяются по гармоническому закону (одна — по синусу, другая — по косинусу, сумма их квадратов как раз равна единице). При наличии сознания он может заметить разницу в своем внутреннем состоянии, когда будет находиться в своих крайних положениях. Эта «ощутимая» разница между двумя основными состояниями будет существовать, поскольку каждое из них по-своему нарушает их исходную суперпозицию и получит свой «отклик» со стороны окружения. Осциллятору достаточно будет выбрать и зафиксировать одно из понравившихся ему состояний, чтобы нарушить исходное несепарабельное состояние и на некоторое время «продлить себе удовольствие» — пока возникающие потоки энергии вновь не выправят ситуацию и не заставят его снова производить гармонические колебания. При этом все остальные подсистемы будут «ощущать» незнакомые для себя «переживания». Память об этой маленькой «радости» у нашего осциллятора может остаться, и он будет пытаться воспроизвести это состояние снова, постепенно объединяясь в своем стремлении с другими подсистемами, то есть сознание будет «разрастаться», увеличивая число степеней свободы. Я понимаю, что такое объяснение слишком примитивно и «ненаучно». Но у меня есть некоторые подозрения, что его можно обосновать и в физических терминах. Например, так: два различных состояния осциллятора обладают различной энергией, поскольку при отклонении от равновесия он будет находиться во внешнем поле, создаваемом окружением, и станет стремиться к состоянию с наименьшим значением энергии.

Расширение набора допустимых состояний происходит в результате эволюции системы. Для открытой системы — это эволюция во внешней среде, в определенном пространственно-временном континууме (например, когда человек взрослеет, у него увеличивается набор допустимых состояний), для замкнутой системы — это эволюция в собственном субъективном времени (она может являться следствием локальной эволюции ее подсистем).

Если сознание развивается, то увеличивается и число допустимых состояний системы, и размерность пространства состояний (гильбертова пространства), в котором функционирует сознание. Моделировать этот процесс можно увеличением числа взаимодействующих кубитов.

Может возникнуть такой вопрос: почему бы не исходить из предположения, что сознание — это нечто абсолютно фундаментальное для всего остального. А все остальное само по себе сознанием не обладает и является проявлением некого всеобщего «метасознания», что есть только одно сверхсознание, и незачем дробить его на части, вводить дополнительные понятия, такие как «элементарное сознание».

В качестве контраргумента я приведу такие доводы. Пусть нелокальный источник реальности — это некий гипотетический квантовый компьютер, который имеет огромное число кубитов, и, предположим, что это в этой системе реализуется «метасознание». Вопрос: можем ли мы считать, что половина этих кубитов, третья часть или четвертая не обладают сознанием? Ведь они остаются теми же самыми квантовыми компьютерами, только имеют меньшую информационную емкость (меньше кубитов), оперируют меньшими объемами информации и каким-то образом задействованы в общую нелокальную «сеть».

Здесь срабатывает системный подход в отношении кубитов, когда большая система из многих кубитов практически ничем не отличается от малой, и даже однокубитная модель адекватно отражает некоторые основные особенности любой, даже самой большой, многокубитной системы. Поэтому анализ удобнее начинать с небольших теоретических моделей, которые имеют точные решения и позволяют «нащупать» общие закономерности, которые будут справедливы уже для систем произвольной размерности.

В любом случае для объяснения и понимания сознания как феномена, как неотъемлемой части объективной реальности, необходимо вводить количественную меру сознания.

Человек способен различать огромное, практически бесконечное, число состояний. Можно взять логарифм от числа таких состояний, как это делается, например, для энтропии. В этом случае мера элементарного сознания (два состояния) как раз будет равна единице.

Теоретический анализ проще всего начать с самых простых квантово-теоретических моделей сознания. Я уже начинал разговор об этом в конце второй главы, и теперь самое время его продолжить. Набросаю общую схему, как можно подойти к построению таких моделей, используя современные методы квантовой теории.

Возьмем за основу известный метод, обобщающий понятие квантового измерения, который базируется на технике супероператоров ПОМ (положительной операторной меры, POVM — positive operator-valued measure). Он исходит из разложения единицы в гильбертовом пространстве системы, которая взаимодействует со своим окружением. В качестве собственных состояний, по которым проводится разложение единицы на сумму неотрицательных операторов (супероператор), можно выбирать различные наборы парных альтернативных состояний. Например, в простейшем случае это может быть пара состояний хорошо/плохо: человек «наделяется» элементарным сознанием, позволяющим ему различать два этих состояния. Замечу, что уже в этом базисе квантовая механика позволяет описать бесконечно большое число всех промежуточных состояний — от состояния «совсем плохо» (при смерти) до «абсолютной благодати». Пару состояний хорошо/плохо можно рассматривать как аналог двух классических состояний |0ñ и |1ñ. В рамках квантовой теории начинает работать суперпозиция этих состояний, и возможно, например, максимально запутанное состояние — «ни хорошо ни плохо», то есть «никак». В зависимости от значения амплитуд суперпозиции доступен весь диапазон состояний в этом базисе. Наглядное представление об этом дает сфера Блоха.

Далее можно увеличивать точность описания, наращивая размерность гильбертова пространства, то есть добавляя другие пары альтернативных состояний — здоровый/больной, весело/грустно, безопасно/страшно, добрый/злой и т. д. При этом набор таких состояний мы можем разделить на несколько частей, характеризующих качественно различные классы состояний сознания и соответствующие:

● физическому состоянию (здоровый/больной, сильный/слабый, сытый/голодный, тепло/холодно...);

● эмоциональному состоянию (весело/грустно, безопасно/страшно, добрый/злой, любовь/ненависть...);

● ментальному состоянию, для которого следует ввести набор хотя бы основных мыслей (или их категорий). Мысли не обязательно брать парными, поскольку любые четкие мысли альтернативны, то есть «в классическом» состоянии не накладываются друг на друга, и любой набор слов подойдет в качестве базиса ментального состояния сознания.

Тут можно найти пересечение с известными разработками в области психологии, об одной из которых я упоминал во второй главе. Существует еще такая психолингвистическая экспертная система, как «ВААЛ»*. Согласно этой системе, в основе оценки эмоционального воздействия фонетики слова и текста на русском языке на подсознание человека лежат результаты докторской диссертации А. П. Журавлева. Они нашли отражение в его книгах «Фонетическое значение» (ЛГУ, 1974) и «Звук и смысл» (М., 1981).

* http://www.vaal.ru/prog/free.php.

В этом случае для оценки фоносемантического воздействия в русском языке используются 24 шкалы, представленные парами антонимичных прилагательных: хороший–плохой, красивый–отталкивающий, радостный–печальный, светлый–темный, легкий–тяжелый, безопасный–страшный, добрый–злой, простой–сложный, гладкий–шероховатый, округлый–угловатый, большой–маленький, грубый–нежный, мужественный–женственный, сильный–слабый, холодный–горячий, величественный–низменный, громкий–тихий, могучий–хилый, веселый–грустный, яркий–тусклый, подвижный–медлительный, быстрый–медленный, активный–пассивный.

Эти 24 шкалы можно рассматривать как один из возможных базисов вектора состояния сознания.

И все же я не думаю, что сознание можно полностью алгоритмизировать. Понятие допустимых состояний — очень широкое. К нему относятся не только состояния физического тела, но и наше настроение, наши мысли и чувства, все наши ощущения в их непрерывном изменении — все это реализации наших различных допустимых состояний. Я не представляю, как это можно полностью «просчитать». Хотя какие-то оценки реальны: например, если мы не ели три дня, можно с некоторой вероятностью предсказать, какие изменения в физическом теле происходят, и какие ощущения, мысли и чувства будут у нас преобладать.

Но в любом случае даже самые простые количественные модели, описывающие работу сознания, могут очень многое дать для понимания самого этого феномена.