Принадлежит ли кошка к квантовому или классическому миру?

Когда мы задумываемся об этом, становится ясно, что Бор заменял одну дихотомию другой — дихотомию кошки дихотомией мира, разделяемого на квантовые и классические системы. Согласно Бору, мы не можем отделять волновую функцию атома от всего остального в клетке (различных измерительных приборов для определения распада атома, вроде счетчика Гейгера, бутылки с ядом и даже кошки), и потому линия, которую мы проводим между микромиром и макромиром, оказывается совершенно произвольной. К сожалению, Бор также говорил о необходимости признавать, что измерение с помощью механизма — измерительного прибора — разрешает дихотомию квантовой волновой функции.

Однако любое макроскопическое тело, в конечном счете, представляет собой квантовый объект; не существует такой вещи, как классический объект, если только мы не готовы признавать порочную дихотомию квантового/классического в физике. Верно, что в большинстве ситуаций поведение макроскопического тела можно предсказывать, исходя из правил классической механики. (В таких случаях квантовая механика дает те же математические предсказания, что и классическая механика, — это принцип соответствия, который открыл сам Бор.) По этой причине мы часто приближенно считаем макроскопические тела классическими. Однако процесс измерения — не такой случай, и принцип соответствия к нему не применим. Разумеется, Бор это знал. В своих знаменитых дебатах с Эйнштейном Бор часто привлекал квантовую механику для описания макроскопических тел при измерении, чтобы опровергать острые возражения, выдвигавшиеся Эйнштейном против волн вероятности и принципа неопределенности.

В качестве примера спора между Бором и Эйнштейном рассмотрим ситуацию двухщелевого эксперимента, но с одним дополнительным аспектом. Предположим, что до попадания на двойную щель электроны проходят через одиночную щель в диафрагме — ее цель состоит в точном определении начального положения электронов. Эйнштейн предлагал устанавливать эту первую щель на крайне чувствительных пружинах (рис. 24). Он доказывал, что если первая щель отклоняет электрон к верхней из двух щелей, то в силу принципа сохранения импульса первая диафрагма будет отходить вниз, а если электрон отклоняется вниз, к нижней из щелей, то будет происходить противоположное. Таким образом, измерение отдачи диафрагмы будет говорить нам, через какую щель, в действительности, проходит электрон — то есть давать информацию, невозможную с точки зрения квантовой механики. Если бы первая диафрагма действительно была классической, то Эйнштейн был бы прав. Защищая квантовую механику, Бор указывал, что, в конечном счете, эта диафрагма тоже подчиняется квантовой неопределенности. Поэтому при измерении ее импульса становится неопределенным ее положение. Бор был способен продемонстрировать, что это расширение первой щели фактически уничтожает интерференционную картину.

Рис. 24. Идея Эйнштейна: начальная щель на пружинах для двухщелевого эксперимента. Если перед прохождением через перегородку с двумя щелями (не показана) электроны проходят через щель в диафрагме, установленной на пружинах, то можно ли определять, через какую щель проходит электрон, не уничтожая интерференционную картину?

Однако предположим далее, что действует принцип дополнительности и что иногда макроскопический прибор все же приобретает квантовую дихотомию (как показывает спор Бора—Эйнштейна), но что в другие моменты этого не происходит — как в случае с измерительным прибором. Эта оригинальная идея, именуемая макрореализмом, исходит от блестящего физика Тони Леггетта, чья работа привела к созданию великолепного экспериментального устройства под названием SQUID (СКВИД — Сверхпроводящий Квантово-Интерференционный Детектор).

Обычные проводники проводят электричество, но всегда оказывают некоторое сопротивление прохождению электрического тока, что приводит к потере электрической энергии в виде тепла. По контрасту с этим сверхпроводники позволяют току течь без сопротивления. Если вы создали электрический ток в сверхпроводящем контуре, то этот ток будет течь практически вечно — даже без источника энергии[27]. Сверхпроводимость обусловлена особой корреляцией между электронами, распространяющейся по всему сверхпроводнику. Для того чтобы вырваться из этого коррелированного состояния, электронам требуется энергия, и потому такое состояние относительно невосприимчиво к беспорядочному тепловому движению, присутствующему в обычном проводнике[28].

СКВИД представляет собой кусок сверхпроводника с двумя отверстиями, которые почти соприкасаются в точке, именуемой «слабым звеном» (рис. 25). Предположим, мы создаем ток в контуре вокруг одного из отверстий. Ток создает магнитное поле, точно так же, как любой электромагнит, и силовые линии магнитного поля проходят через отверстие — это тоже обычное явление. В случае сверхпроводника, необычное заключается в том, что магнитный поток — число силовых линий на единицу площади — является квантованным; магнитный поток, проходящий через отверстие, дискретен. Это дало Леггетту его ключевую идею.

Рис. 25. Будет ли линия потока делиться между двумя отверстиями, показывая квантовую интерференцию на макроскопическом уровне?

Предположим, что мы создаем настолько малый ток, что имеется только один квант потока. Тогда мы создали ситуацию двухщелевой интерференции. Если есть только одно отверстие, то очевидно, что квант может быть где угодно в нем. Если звено между двумя отверстиями будет слишком толстым, то поток будет локализован только в одном отверстии. Можно ли при подходящем размере слабого звена создать квантовую интерференцию, чтобы квант потока был нелокализованным, находясь в обоих отверстиях одновременно? Если да, то квантовые когерентные суперпозиции явно сохраняются даже на уровне макроскопических тел. Если никакой такой делокализации не наблюдается, то мы можем сделать вывод, что макроскопические тела действительно являются классическими и не допускают когерентных суперпозиций в качестве своих разрешенных состояний.

До сих пор нет никаких свидетельств нарушения квантовой механики в случае СКВИДа, но Леггетт упорно ожидает краха квантовой теории. На недавней конференции он говорил: «Но временами, когда ярко светит полная луна, я делаю то, что в физическом сообществе может быть интеллектуальным эквивалентом превращения в оборотня: я задаюсь вопросом, является ли квантовая механика полной и окончательной истиной о физической вселенной... Я склонен считать, что в каком-то месте между атомом и человеческим мозгом она [квантовая механика] не только может, но должна терпеть крах».

Он говорил как подлинный материальный реалист!

Многие физики чувствуют склонность задавать те же вопросы, которые вдохновляют Леггетта, так что исследования со СКВИДом продолжаются. Я подозреваю, что однажды они дадут свидетельства в пользу квантовой механики и покажут, что квантовые когерентные суперпозиции явно присутствуют даже в макроскопических телах.

Если мы не отрицаем, что, в конечном счете, все объекты приобретают квантовую дихотомию, тогда, как впервые доказывал фон Нойманн, если цепочка материальных механизмов измеряет квантовый объект в состоянии когерентной суперпозиции, все они по очереди приобретают дихотомию объекта, до бесконечности (рис. 26). Как выбраться из тупика, который создает цепочка фон Нойманна? Ответ поразителен: выскакивая из системы, из материального порядка реальности.

Рис. 26. Цепочка фон Нойманна. В соответствии с доказательством фон Нойманна, даже наш мозг-ум заражается дихотомией кошки, так что каким же образом заканчивается цепочка?

Мы знаем, что наблюдение сознательным наблюдателем прекращает дихотомию. Поэтому совершенно очевидно, что сознание должно действовать извне материального мира; иными словами, сознание должно быть трансцендентным — нелокальным.

Парадокс Рамачандрана

Если вас все еще беспокоит трансцендентность сознания, то вы, возможно, получите удовольствие от рассмотрения парадокса, который придумал нейрофизиолог Рамачандран.

Предположим, что благодаря некой супертехнологии можно записывать с помощью электродов или чего-то такого все, что происходит в мозгу, когда на него действуют внешние стимулы. Вы можете вообразить, что исходя из этих данных и с помощью некой сверхматематики вы можете получить полное и подробное описание состояния мозга в ситуации действия данного стимула.

Предположим, что стимулом служит красный цветок; вы показываете его нескольким людям, собираете данные, анализируете их и получаете набор состояний мозга, соответствующий восприятию красного цветка. Вы ожидаете, что за исключением незначительных статистических отклонений вы каждый раз будете получать, по существу, одно и то же описание состояния (что-то вроде того, что имела место реакция определенных клеток в определенной области мозга, вовлеченной в восприятие цвета).

Вы могли бы даже вообразить, что с помощью супертехнологии регистрируете и анализируете данные своего собственного мозга (при видении красного цветка). Состояние мозга, которое вы обнаруживаете у себя, не должно иметь никаких заметных отличий от всех других.

Обдумайте следующий любопытный поворот эксперимента: у вас нет никаких причин подозревать, что описание состояний мозга всех других людей не полно (особенно, если вы полностью верите в свою сверхнауку). И в то же время в отношении состояния своего собственного мозга вы знаете, что нечто упущено — а именно, ваша роль как наблюдателя — ваше осознание опыта, соответствующего состоянию вашего мозга, действительное сознательное восприятие красного. Ваш субъективный опыт не может быть частью объективного состояния мозга, поскольку в такой ситуации, кто бы наблюдал мозг? Точно так же был озадачен знаменитый канадский нейрохирург, обдумывая перспективу операции на собственном мозге: «Где субъект и где объект, если вы оперируете свой собственный мозг?»

Должно существовать различие между вашим мозгом, как наблюдателя, и мозгами тех, кого вы наблюдаете. Единственный альтернативный вывод заключается в том, что состояния мозга, которые вы конструируете даже с помощью сверхнауки, являются неполными. Поскольку состояние вашего мозга неполно, а состояния мозга других людей идентичны вашему, то они тоже должны быть неполными, ибо они не учитывают сознание.

Для материальных реалистов это парадокс, поскольку с их точки зрения ни одно из приведенных выше решений не желательно. Материальный реалист не захочет давать особые привилегии отдельному наблюдателю (что было бы равносильно солипсизму), однако также не будет склонен признавать, что любое достижимое описание состояния мозга с использованием материалистической науки было бы ipso facto неполным.

Важный ключ дает вопрос нейрохирурга — где субъект и где объект, если вы оперируете свой собственный мозг? Суть проблемы передает выражение: «То, что мы ищем, — это то, что ищет». Сознание предполагает парадоксальное самоотнесение — принимаемую как нечто само собой разумеющееся способность относиться к самим себе отдельно от окружающего.

Эрвин Шрёдингер говорил: «Неосознанно, и не будучи строго последовательными в этом вопросе, мы исключаем Субъекта Познания из сферы природы, которую пытаемся понимать». Теория квантового измерения, которая осмеливается ссылаться на сознание в делах квантовых объектов, должна иметь дело с парадоксом самоотнесения. Давайте уточним это понятие.