Глава 6. Девять жизней кошки Шрёдингера

 

Многим основателям квантовой физики было тяжело принимать ее странные следствия. Сам Шрёдингер выразил свои сомнения по поводу интерпретации квантовой механики в терминах волн вероятности в парадоксе, который в настоящее время известен под названием «Кошка Шрёдингера».

Предположим, что мы помещаем кошку в клетку с радиоактивным атомом и счетчиком Гейгера. Радиоактивный атом будет распадаться в соответствии с законами вероятности. Если атом распадается, то счетчик Гейгера сработает и включит молоток, молоток разобьет бутылку с ядом, и яд убьет кошку. Допустим, что вероятность того, что это случится в течение часа, составляет 50% (рис. 21).

 

Рис. 21. Парадокс кошки Шрёдингера

 

Тогда каким образом квантовая механика описывает состояние кошки по прошествии часа? Разумеется, если мы посмотрим, то обнаружим, что кошка либо жива, либо мертва. А что, если мы не посмотрим? Вероятность того, что кошка мертва, составляет 50%. Вероятность того, что кошка жива, тоже равна 50%.

Если мыслить классически, как требует материальный реализм, и руководствоваться принципами детерминизма и причинной непрерывности, то можно было бы провести мысленную аналогию с ситуацией, в которой некто подбросил монету, а потом накрыл ее ладонью. Мы не знаем, что выпало — орел или решка, но, разумеется, выпало либо то, либо другое. Кошка либо жива, либо мертва, с вероятностью каждого исхода, равной 50%. Мы просто не знаем, какой исход реализовался на самом деле. Отнюдь не такой сценарий предполагает математика квантовой механики. Квантовая механика подходит к вероятностям совсем иначе. Она описывает состояние кошки в конце часа как наполовину мертвое, наполовину живое. Внутри ящика имеется вполне буквально «когерентная суперпозиция наполовину живой и наполовину мертвой кошки» — как это звучит на техническом жаргоне квантовой физики. Парадокс кошки, которая жива и мертва одновременно — это следствие того, как в квантовой механике делаются вычисления. Сколь бы странными ни были следствия этой математики, мы должны относиться к ней серьезно, поскольку та же математика дарит нам чудеса транзисторов и лазеров.

Эту абсурдную ситуацию резюмирует следующая пародия из «Книги старого опоссума о практичных кошках» Т. С. Элиота:

 

Кошка Шрёдингера — загадочная кошка,

она иллюстрирует законы;

сложные вещи, которые она делает, не имеют

никакой видимой причины;

она сбивает с толку детерминистов

и доводит их до отчаяния,

Ведь когда они пытаются ее поймать,

квантовой кошки и след простыл!

 

Пародия, разумеется, верна — никто не видел квантовую кошку, или когерентную суперпозицию, в действительности — даже квантовые физики. В самом деле, если мы заглядываем в ящик, то видим либо живую, либо мертвую кошку. Возникает неизбежный вопрос: что же такого особого в нашем акте наблюдения, что он способен разрешить дьявольскую дилемму кошки?

Одно дело — правдоподобно говорить об электроне, одновременно проходящем через две щели, но когда мы говорим о том, что кошка наполовину жива и наполовину мертва, абсурдность квантовой когерентной суперпозиции становится самоочевидной.

Один выход из положения состоит в том, чтобы настаивать, что математическое предсказание когерентной суперпозиции не следует принимать буквально. Вместо этого можно, следуя интерпретации в терминах статистики ансамблей, которой отдают предпочтение некоторые материалисты, убеждать себя, что квантовая механика делает предсказания только относительно экспериментов с очень большим числом объектов. Если бы имелось десять миллиардов кошек в абсолютно одинаково устроенных ящиках, то квантовая механика говорила бы нам, что по истечении часа половина из них будет мертва — и, несомненно, наблюдение подтвердило бы истинность этого утверждения. Быть может, для одной кошки теория просто не применима. В предыдущей главе приводился сходный довод для электронов. Однако фактически интерпретация в терминах ансамблей сталкивается с затруднением даже при объяснении интерференционной картины в простом двухщелевом эксперименте.

Кроме того, интерпретация в терминах ансамблей равносильна отказу от квантовой механики как физической теории для описания единичного объекта или единичного события. Поскольку единичные события все же происходят (и даже были выделены единичные электроны), мы должны быть способны говорить о единичных квантовых объектах. В действительности, квантовая механика формулировалась применительно к единичным объектам, несмотря на парадоксы, которые при этом возникают. Мы должны быть готовы к парадоксу Шрёдингера и искать способ его разрешения. Альтернатива в том, чтобы не иметь вообще никакой физики для единичных объектов — а это совершенно неприемлемо.

Сегодня многие физики, имея дело с парадоксом кошки Шрёдингера, предпочитают прятаться за антиметафизическую философию логического позитивизма. Эта философия выросла из работы венского философа Людвига Виттгенштейна «Логико-философский трактат», где он высказывает свое знаменитое суждение: «О чем невозможно говорить, о том следует молчать». Следуя этому правилу, такие физики — мы можем называть их представителями нео-Копенгагенской школы — заявляют, что нам следует ограничивать обсуждение реальности тем, что видимо, вместо того чтобы пытаться утверждать реальность чего-то, что невозможно наблюдать. Для них главный довод состоит в том, что мы никогда не видим когерентную суперпозицию. Наполовину жива или наполовину мертва ненаблюдаемая кошка? Они бы сказали, что такой вопрос нельзя задавать, поскольку на него невозможно ответить. Конечно, это софистика. К вопросу, на который невозможно ответить прямо, тем не менее, можно подходить косвенно и ответ на него можно вычислять на основании согласованности с тем, что мы можем знать прямо. Более того, полное уклонение от метафизических вопросов не совместимо с духом первоначальной Копенгагенской интерпретации и с представлениями, которых придерживались Бор и Гейзенберг.

По мнению Бора, Копенгагенская интерпретация ослабляет абсурдность наполовину мертвой, наполовину живой кошки с помощью принципа дополнительности: когерентная суперпозиция представляет собой абстракцию; в абстракции кошка может существовать как и живая, и мертвая. Это описание является дополнительным по отношению к описанию мертвой или живой кошки, которое мы даем, когда ее видим. Согласно Гейзенбергу, когерентная суперпозиция ~ наполовину живая, наполовину мертвая кошка — существует в трансцендентной потенции. Именно наше наблюдение «схлопывает» двойственное состояние кошки в единственное.

Как следует понимать это понятие наполовину живой, наполовину мертвой кошки, существующей в потенции? Ответ, который звучит как научная фантастика, предложили физики Хью Эверетт и Джон Уиллер. Согласно Эверетту и Уиллеру, реализуются обе возможности — живая и мертвая кошка, — однако это происходит в разных реальностях, или параллельных вселенных. Для каждой живой кошки, которую мы находим в ящике, наш двойник в параллельной вселенной, открывая двойник нашего ящика, обнаруживает мертвого двойника нашей кошки. Наблюдение двойственного состояния кошки заставляет саму вселенную расщепляться на параллельные ветви. Это интригующая идея, и некоторые писатели-фантасты (особенно Филип К. Дик) ей умело воспользовались. К сожалению, это также дорогостоящая идея. В соответствии с ней, количество материи и энергии должно было бы удваиваться всякий раз, когда наблюдение заставляет вселенную расщепляться. Это оскорбляет нашу склонность к экономии, которая может быть предрассудком, но, тем не менее, служит краеугольным камнем научного рассуждения. Кроме того, поскольку параллельные вселенные не взаимодействуют, эту интерпретацию трудно подвергнуть экспериментальной проверке, а потому, с научной точки зрения, она бесполезна. (В художественной литературе дела обстоят проще. В романе Филипа Дика «Человек в высоком замке» параллельные вселенные взаимодействуют. А иначе как бы мог быть сюжет?)

К счастью, есть возможное идеалистическое решение. Поскольку наше наблюдение магически разрешает дихотомию кошки, должно быть, именно мы — наше сознание — вызываем коллапс волновой функции кошки. Материальным реалистам эта идея не нравится, поскольку она делает сознание независимой причинной сущностью; признавать это означало бы забивать гвозди в гроб материального реализма. Вопреки материализму, с этим решением парадокса согласились такие знаменитые ученые, как Джон фон Нойманн, Фриц Лондон, Эдмонд Бауэр и Юджин Вигнер.

 

 

Идеалистическое решение

 

Согласно идеалистическому решению, именно наблюдение сознательного ума кладет конец дихотомии живой-или-мертвой кошки. Подобно архетипам Платона, когерентные суперпозиции существуют в волшебной стране трансцендентного порядка, пока мы их не коллапсируем и не вводим в мир проявления своим актом наблюдения. При этом мы выбираем один аспект из двух, или многих, разрешаемых уравнением Шредингера; конечно, это ограниченный выбор, подчиняющийся ограничению общей вероятности в квантовой математике, но, тем не менее, это — выбор.

Даже если материальный реализм ошибочен, следует ли нам поспешно отказываться от научной объективности и приглашать сознание в нашу науку? Один из пионеров квантовой физики, Поль Дирак, как-то сказал, что великие прорывы в физике всегда связаны с отказом от какого-нибудь великого предубеждения. Быть может, пришло время отказываться от предубеждения строгой объективности. Бернар Д'Эспанья считает объективность, допускаемую квантовой механикой, слабой объективностью. Вместо независимости событий от наблюдателя, которой требует строгая объективность, квантовая механика допускает определенное вмешательство наблюдателя — но так, что интерпретация событий не зависит ни от какого отдельного наблюдателя. Эта слабая объективность представляет собой инвариантность событий по отношению к наблюдателю: кем бы ни был наблюдатель, событие остается одним и тем же. Ввиду того что индивидуальные измерения связаны с субъективным выбором, этот принцип, безусловно, является статистическим, и инвариантность по отношению к наблюдателю справедлива только для большого числа наблюдений — в чем нет ничего нового. Давно признав вероятностную интерпретацию квантовой механики, мы уже обязаны принимать статистическую природу некоторых из наших научных принципов — например, принципа причинности. Как регулярно демонстрирует когнитивная психология, мы, безусловно, можем заниматься наукой, исходя из слабой объективности, определяемой таким образом. В действительности мы не нуждаемся в строгой объективности.

Решение парадокса Шредингера вмешательством сознания является самым простым — настолько простым, что его порой называют наивным решением. Однако по поводу этого решения было задано много вопросов, и только отвечая на эти вопросы, мы можем преодолеть обвинение в наивности.

 

 

Вопросы в адрес идеалистического решения

 

Один вопрос, который вы, возможно, все еще задаете, — это как кошка может быть наполовину живой и наполовину мертвой? Не может — если вы думаете с позиции материального реализма. Материальный реализм предполагает, что состояние кошки в любой момент времени должно причинно непрерывным образом быть либо одним, либо другим, или живым, или мертвым. Однако материалистическое мышление — это следствие допущений причинной непрерывности и описания событий по принципу или-или. Эти допущения необязательно верны, особенно когда они проверяются экспериментами квантовой механики.

Идеалистического философа не особенно волнует парадокс одновременно живой и мертвой кошки. В одной истории мастеру дзэн показали так называемого мертвеца, которого готовились хоронить. Когда его спросили, жив человек или мертв, мастер дзэн ответил: «Не могу сказать». Как он мог? Согласно идеализму, сущность человека — сознание — никогда не умирает. Поэтому было бы неверно прямо говорить, что человек мертв. Однако когда тело человека готовят к погребению, было бы нелепо говорить, что он жив.

Жива кошка или мертва? Когда мастера дзэн Дзесю спросили: «Обладает ли пес природой Будды?», он ответил «му». Здесь опять ответить «нет» было бы неправильно, поскольку, согласно учению Будды, все существа обладают природой Будды. Ответ «да» тоже был бы рискованным, поскольку природу Будды следует осознать и прожить, а не понять интеллектуально. Поэтому мастер ответил «му» — ни да, ни нет.

По-видимому, когда квантовая механика утверждает, что по истечении часа кошка Шредингера наполовину жива и наполовину мертва, она предполагает идеалистическую философию, подобную философии мастеров дзэн. Как это может быть? Каким образом сознание может играть решающую роль в формировании реальности физического мира? Разве это не предполагает верховенства сознания над материей?

Если до того, как мы заглянем внутрь ящика, кошка Шрёдингера и жива, и мертва, но после того, как мы туда заглянем, находится в единственном состоянии (жива или мертва), то, значит, просто смотря, мы должны что-то делать. Как может мимолетный взгляд оказывать воздействие на физическое состояние кошки? Такие вопросы задают реалисты, пытаясь опровергнуть идею, что сознание вызывает коллапс когерентной суперпозиции.

Да, идеалистическое решение действительно подразумевает действие сознания на материю. Однако это воздействие создает проблему только для материального реализма. В этой философии сознание считается эпифеноменом материи, и кажется невозможным, чтобы эпифеномен материи мог воздействовать на саму ткань, из которой он образован — по существу, вызывая сам себя. Этого причинного парадокса избегает монистический идеализм, в котором сознание первично. В сознании когерентные суперпозиции представляют собой трансцендентные объекты. Они становятся имманентными только когда сознание посредством процесса наблюдения выбирает один из многих аспектов когерентной суперпозиции, хотя его выбор ограничен вероятностями, которые допускает квантовое исчисление. (Сознание законопослушно. Креативность космоса происходит от креативности его квантовых законов, а не от произвольного беззакония.)

Согласно монистическому идеализму, объекты уже находятся в сознании в качестве зачаточных, трансцендентных, архетипических форм возможности. Коллапс состоит не в делании чего-либо с объектами путем измерения, а в выборе и признании результата этого выбора. Взгляните еще раз на приводившуюся ранее иллюстрацию гештальта «Моя жена и теща» (рис. 12). На этой иллюстрации имеется наложение изображений. Когда мы видим жену (или тещу), мы ничего не делаем с картинкой. Мы просто выбираем и признаем свой выбор. Процесс «схлопывания» волновой функции сознанием представляет собой нечто вроде этого.

Однако существуют дуалисты, которые пытаются объяснять действие сознания в парадоксе Шрёдингера, находя свидетельства психокинеза — способности перемещать материю действием ума. Юджин Вигнер утверждает, что если квантовый объект может воздействовать на наше сознание, то и сознание должно быть способно воздействовать на квантовый объект. Однако свидетельств психокинеза недостаточно, и они вызывают сомнения. Кроме того, рассмотрение еще одного парадокса — «парадокса друга Вигнера» — по существу, исключает дуалистическую интерпретацию.

 

 

Парадокс друга Вигнера

 

Предположим, что два человека одновременно открывают ящик с кошкой Шрёдингера. Если исход коллапса выбирает наблюдатель, как подразумевает идеалистическое решение, то что, если два наблюдателя делают разный выбор — разве это не создает проблему? Если мы говорим — нет, то выбор может делать только один из наблюдателей, и сторонники реализма справедливо считают это решение неудовлетворительным.

В парадоксе друга Вигнера, сформулированном физиком Юджином Вигнером, происходит следующее: предположим, что вместо того чтобы самому наблюдать кошку, Вигнер просит это сделать своего друга. Его друг открывает ящик, видит кошку и затем сообщает результаты своего наблюдения Вигнеру. На этом этапе мы можем говорить, что Вигнер только что актуализировал реальность, которая включает в себя его друга и кошку. Здесь есть парадокс: была ли кошка жива или мертва, когда друг Вигнера ее наблюдал, но до того, как он сообщил результат наблюдения? Говорить, что когда друг Вигнера наблюдал кошку, ее состояние не коллапсировало, значит утверждать, что его друг пребывал в бессознательном состоянии, пока Вигнер его не спросил — что сознание его друга не могло решить, жива кошка или мертва, без побуждения со стороны Вигнера. Это весьма похоже на солипсизм — философию, которая считает вас единственным сознательным существом, а все остальное — плодами вашего воображения. Почему Вигнер должен быть привилегированным агентом, которому позволено вызывать коллапс функции состояния кошки?

Предположим, что мы вместо этого говорим, что коллапс суперпозиции вызывает сознание друга Вигнера. Не открывает ли это ящик Пандоры? Если Вигнер и его друг смотрят на кошку одновременно, то чей выбор будет иметь значение? Что, если два наблюдателя делают разный выбор? Если бы отдельные люди своим выбором определяли поведение объективного мира, то жизнь превратилась бы в кромешный ад, поскольку, как мы знаем, субъективные впечатления часто бывают противоречивыми. В подобном случае ситуация была бы подобно той, в которой автомобилисты, движущиеся с разных сторон, выбирали бы цвет светофора (красный или зеленый) по своей воле. Этот довод часто считают смертельным ударом по решению парадокса Шрёдингера вмешательством сознания. Однако он смертелен только для дуалистической интерпретации. Чтобы понять, почему этот так, рассмотрим парадокс Вигнера более подробно.

Вигнер сравнил свое парадоксальное положение с таким, в котором для осуществления наблюдения используется неодушевленный прибор. Когда используется механизм, никакого парадокса нет. Нет ничего парадоксального или расстраивающего в том, что машина какое-то время находится в состоянии неопределенности, но опыт говорит, что решающее значение имеет наблюдение сознательного существа. Как только сознательное существо производит наблюдение, материальная реальность становится проявленной в единственном состоянии. По словам Вигнера:

Следовательно, существо с сознанием должно иметь в квантовой механике другую роль, нежели неодушевленный измерительный прибор... Этот довод предполагает, что «мой друг» имеет те же виды впечатлений и ощущений, что и я — в частности, что после взаимодействия с объектом он не находится в бессознательном состоянии... Не обязательно видеть здесь противоречие с точки зрения ортодоксальной квантовой механики, и его нет, если мы полагаем, что альтернатива лишена смысла — содержит ли сознание моего друга... впечатление увиденного [либо мертвой, либо живой кошки]. Однако до такой степени отрицать существование сознания друга — это, несомненно, неестественная позиция, приближающаяся к солипсизму, и немногие люди в глубине души с ней согласятся.

Это коварный парадокс, но Вигнер прав. Нам нет нужды говорить, что пока Вигнер не проявляет своего друга, друг находится в бессознательном состоянии. В равной степени нам не нужно прибегать к солипсизму. Есть другая альтернатива.

Парадокс Вигнера возникает только когда он делает необоснованное дуалистическое допущение, что его сознание существует отдельно от сознания его друга. Парадокс исчезает, если есть только один субъект, а не отдельные субъекты, как мы обычно их понимаем. Альтернатива солипсизма — единый субъект-сознание.

Когда я наблюдаю, то вижу весь мир проявления, но это не солипсизм, поскольку нет никакого индивидуального видящего «я» в противопоставление другим «я». Эрвин Шредингер был прав, когда говорил: «Сознание — это единственное, для которого нет никакого множественного числа». Этимология и орфография сохранили единственность сознания. Однако существование в языке таких терминов, как «я» и «мое», ведет нас в дуалистическую ловушку Мы считаем себя отдельными потому, что таким образом говорим о себе.

Точно так же, люди привыкают думать об обладании сознанием, как в вопросе: «Есть ли сознание у кошки?» Лишь в материальном реализме сознание представляет что-то такое, чем можно просто обладать. Такое сознание было бы детерминированным, а не свободным, и его не стоило бы иметь.