Стенограмма семинара от 25.01.2011. Часть 1.
Алёхин Анатолий Николаевич (доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой клинической психологии РГПУ им. А. И. Герцена):Уважаемые коллеги! Сегодня у нас очередная встреча в рамках научно-методического семинара, посвященного методологическим проблемам психологии. Я рад и удивлен, что физические аспекты вызывают гораздо больший интерес, чем психологические проблемы, но так, наверное, и должно быть. Физика – наука строгая и красивая. Сегодня достаточно сложная проблема у нас. Проблема сознания – наверное, знают все – всегда являлась камнем преткновения в гносеологии, эпистемологии, философии, и во множестве других дисциплин. И вот с докладом сегодня любезно согласился выступить доктор физико-математических наук, профессор Гриб Андрей Анатольевич, которого я с удовольствием вам представляю, а тема нашего семинара «Сознание в свете современной квантовой физики».
Напоминаю всем собравшимся, что доклад это всегда повод для дискуссии, это не лекция. Наш научно-методический семинар как раз и замышлялся как возможность свободного обсуждения таких вот актуальных научных проблем. Я с удовольствием предоставляю слово Андрею Анатольевичу, пожалуйста.
Гриб Андрей Анатольевич (доктор физико-математических наук, профессор, академик РАЕН):
Наверно, все уже наслышаны о том, что физиков сегодня потянуло в сторону обсуждения: «а что же такое сознание?». Вообще физики пытаются объяснить весь мир, всю Вселенную. Мы теперь знаем, для чего, например, нужны электромагнитные взаимодействия, и то, что, если их не будет, то не будет той Вселенной, в которой мы находимся, не будет и нас с вами. Физикам удается как-то это всё объяснить, но до сих пор в этом мире есть ещё одна очень важная и загадочная «деталь» – это сознание. И, конечно, физикам очень хочется и его как-то понять: что это такое и зачем вообще во Вселенной нужно сознание. И нужно ли оно? Играет ли оно такую же роль, как гравитация, например, или электромагнетизм? Что это такое? При этом вопрос этот (мы сейчас заметим, как он вообще ставится в физике) особую актуальность приобрел в связи с квантовой физикой. Потому что в квантовой физике, по мнению довольно многих, оказывается, что наше природоописание неполно, если мы не учитываем сознание, то есть если его нет, то Вселенная будет не та, какой мы ее видим. Вот это обстоятельство служит темой довольно многочисленных конференций, где обсуждается все то, о чем пойдет разговор. Я тоже оказался включенным в это, довольно давно, еще с восьмидесятого года, когда заинтересовался этой проблемой. Тогда я работал в главном университете. В сборнике «Памяти академика В.А. Фока» была моя статья о методологическом значении квантовой физики для психологии, она была издана в восьмидесятом году.
Потом у нас в разное время были попытки найти контакт с психологами, с физиологами, прочими специалистами и обсуждать это с ними. В частности, были контакты с И.М. Фейгенбергом – не знаю, знакома ли вам такая фамилия, это психолог, который потом уехал за рубеж, а в Москве у него была лаборатория. Вот мы с ним также контактировали некоторое время, хотя тоже довольно недолго. Была попытка потом получить некий европейский грант на исследование этих проблем совместно с директором Института мозга Медведевым Святославом Всеволодовичем. Грант мы не получили и после этого всё это замолкло. Тем не менее, мы написали некую совместную статью, которую потом, правда, тоже в «Физиологический журнал» мы не послали [смех в аудитории], потому что мы представили, какая будет реакция у ортодоксальных физиологов, и решили, что лучше этого не делать.
Тем не менее, проблема эта в нашей стране тоже стала обсуждаться, довольно актуальна она особенно в последнее время. В 2000-2005 годы появились статьи в журнале «Успехи физических наук», где вы можете найти статьи Менского Михаила Борисовича, которые так и называются: «Концепция сознания в контексте квантовой механики», например, или «Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов». Так что, в нашей стране тоже сейчас какой-то интерес к этому вопросу появился.
Я поначалу не буду определять, что такое сознание. Мы все знаем, что происходит, когда его нет. То, что оно есть, очевидно, потому что мы все знаем, что будет, если его нет. Мы не будем говорить сейчас подробно, а что это такое – есть нечто такое, потому что его можно потерять и мы знаем, как это может быть. Причем, как замечает Р. Пенроуз в своей книжке «Тень разума», самое интересное, что потеря сознания не связана, вообще говоря, как многие думают, с какими-либо химическими реакциями в мозге. Обычное мнение, что тело наше – это некая химическая машина, электрохимическая машина, а сознание – нечто сопутствующее почему-то этой электрохимической машине. И потеря сознания должна связываться с какими-то электрохимическими реакциями, но ничего подобного нет: вы сознание можете потерять, надышавшись ксенона – инертного газа. Инертный газ, как мы знаем, ни в какие химические реакции не вступает, но, тем не менее, сознание вы потеряете, это известно анестезиологам.Таким образом, мы в общем-то знаем, что такое сознание, но не будем пока определять, каковы его черты и так далее – это уже, как известно, задача психологов. Начнем мы с вопроса, почему разговор идет именно о квантовой физике. В классической физике, которая основана на законах сохранения (энергии, импульса, момента импульса и прочее), на строго определенных законах механики движения, совершенно непонятно, зачем необходимо сознание и где оно в мозге может быть. Когда мы рассматриваем работу мозга, то мы видим некий достаточно классический объект, хотя это десять в одиннадцатой степени нейронов, но нейрон – это довольно большой объект с точки зрения квантовой физики. И всяческие реакции и взаимодействия между нейронами можно описывать вполне классически. Возбуждение и торможение может пониматься в терминах электрических потенциалов. Точно так же, как работу компьютера или электрической сети мы прекрасно понимаем без квантовой физики.
А в чем главная проблема? Главная проблема – психофизическая, как вы знаете. Она сформулирована давным-давно. В частности, к ней обращался еще Иммануил Кант, который задавался вопросом о том, что же происходит, когда нечто психическое, нематериальное – например, я говорю: «Сейчас я подниму руку» – переходит в нечто материальное, то есть в данном случае в напряжение мускулов и движение руки. Что при этом происходит? Каким образом психическое становится физическим?
Мы знаем, что связь между психическим и физическим обоюдная. С одной стороны, физические процессы меняются под действием психического. Например, если кто-то скажет мне что-то оскорбительное, у меня усилится сердцебиение, поднимется давление и прочее – это очевидное воздействие психического на физическое. И наоборот: конечно, физическое влияет на психическое. Если я бы выпил слишком много коньяку, то сейчас вел бы себя несколько иначе, это очевидно. Это простейшие примеры, но достаточно показательные. В этой связи известный физик-теоретик Юджин Вигнер (он один из первых стал рассуждать на эту тему) сказал, что вообще эти взаимоотношения похожи на взаимодействие заряда и электромагнитного поля – это разные реальности, но они взаимодействуют между собой. Электромагнитное поле действует на заряд, заряд – наоборот, действует на электромагнитное поле: заряд начинает двигаться, меняется электромагнитное поле, но и поле может действовать на заряд, и он начинает двигаться по-другому. Ю. Вигнер, конечно, понимал, что это просто аналогия и она на практике не очень-то работает. Физическим процессам мы приписываем физические свойства – скорость, давление, импульсы, а сознанию мы такие характеристики приписать не можем. То есть мы не можем говорить, что от сознания передается какая-то энергия, как электромагнитное поле, и что эта энергия, воздействуя как-то на нейроны, обеспечивает влияние психического на физическое. Мы также не можем говорить, что сознание поглощает какую-то внешнюю энергию, что сознание влияет на какие-то скорости внешних объектов, в том смысле, что от сознания физическому миру передавался бы некий импульс. Здесь ситуация, принципиально отличная от того, с чем сталкиваются физики. Здесь в самом деле присутствует нечто иное.
Почему квантовая физика рассматривается как нечто, что может дать хоть какой-то ответ на вопрос, как сознание взаимодействует с физическим миром? Как я уже сказал, классическая физика на этот вопрос ответить не может, поскольку классические физики, исследуя все эти процессы, обнаруживают, что в этих физических и химических реакциях все как будто сохраняется, и импульсы, и энергия, ничего ниоткуда не поступает, физика и химия в мозге та же, что и вне мозга. Это то, в чем мы все больше и больше убеждаемся. В мозге та же физика и химия, что и снаружи, но почему-то одной физике и химии соответствует сознание, а другой – нет. В квантовой же физике ситуация иная. И это связано с одним интересным примером, который я проиллюстрирую.
Не нужно, конечно, все это понимать слишком буквально, но это то, что бывает в квантовой физике. Это так называемые отрицательные эксперименты в квантовой физике. В квантовой физике оказывается, что свойства микрообъекта, квантового объекта, зависят от нашей информации о нем, от знания о нем. При этом это знание может быть даже отрицательным – знанием об отсутствии чего-либо: если я знаю, что чего-то нет в связи с этим объектом, то уже его свойства меняются. Представим себе, что есть одноколейная железная дорога [рисует на доске] и есть два пункта – А и B, а посередине есть станция и известно, что со станции пошел поезд. Я знаю скорость поезда и провожу наблюдение, например, в этом пункте и через некоторое время обнаруживаю, что на данном участке поезда нет. Я заключаю, что поезд пошел туда, в правую сторону. Если классического физика спросить, произойдет ли что-то с поездом в связи с тем, что я узнал, что поезда в данном пункте нет, он ответит нет – ничего не произойдет. А в квантовой физике – произойдет. Оказывается, как это ни странно, произойдет вот что. Есть такое очень важное соотношение в квантовой механике (я прошу прощения, что здесь придется писать некоторые формулы, но самые простые), оно называется соотношение неопределенности Гейзенберга и оно говорит вот что [пишет на доске]: что если первоначально поезд мог быть везде на этой прямой и Δ х соответствует длине АB, а импульс его мог быть в этих пределах, то когда я узнал, что его здесь нет, эта Δ х изменилась – стала Δ х´, а тогда и Δ p x изменилась. Получается, что от того, что я узнал, что здесь нет поезда, его скорость изменилась там, где он был, справа. Представляете, шедевр какой! Это своего рода телекинез, квантовый телекинез. Заметьте, никто ничего не толкает, не дает никакого импульса – мы всего лишь узнали, получили информацию. В квантовой физике, в отличие от классической, если информация об объекте изменилась, то и объект изменится. То есть возникают совершенного нового типа взаимоотношения. Опыты, подтверждающие это, поставлены. Конечно, не на поезде, а с электронами: когда фиксируется отсутствие электрона в некой точке, его скорость меняется.Еще один пример – отрицательный эксперимент М. Реннингера. Есть сфера [рисует на доске], в сфере источник электронов. И есть два шара, а здесь – дырка. Известно, что отсюда электроны вылетают. У нас есть возможность наблюдать этот экран, и мы видим, что электрон сюда не попал – нет синцилляции (вспышки). Мы говорим: значит, он туда полетел в дырку. Но при этом скорость электрона стала другой относительно той, что была до этого. Это отрицательное знание. Знание того, что электрона там нет – это само по себе уже очень важно. Обратите внимание, что нет никакого физического воздействия на электрон. Оказывается, что знание влияет на физику. Этот пример привел к предположению, что, возможно, так происходит и в человеческом мозге. Потому что, как заметил тот же Вигнер, не надо заниматься всякой экзотикой типа телекинеза, который, непонятно, бывает или не бывает. Есть элементарный пример телекинеза – это наша голова. Там это очевидно происходит – психическое действует на физическое.
Что это за механизмы? Существует много работ, посвященных этой теме, которые печатаются преимущественно в физических журналах. Главный наш физический журнал – «Physical Review». Там много серий. Обычно по этой проблеме пишут в серии Е. И там ведутся разговоры о том, как это все происходит. Для того, чтобы вам окунуться в атмосферу этой дискуссии, придется немножко рассказать о принципах квантовой физики.
Первое – это то, что называется «индетерминизм». Он заключается вот в чем. В квантовой физике считается, что каждый микрообъект описывается особой функцией, которая называется «Ψ-функция» («пси» – похоже на психологическое, и, возможно, там действительно что-то психологическое есть) – это математическая величина, она характеризует состояние в микромире. Предположим, что есть пять атомных ядер, совершенно одинаковых [пишет на доске]. Эти ядра радиоактивны – это означает, что в какой-то момент они распадаются. Через некоторое время, обозначим его τ, мы наблюдаем, что ядра под номерами 2 и 4 распались, а ядра 1, 3 и 5 не распались. Физик 19-го века, рассуждающий классически, сказал бы, что существует некая тайная причина, по которой, несмотря на то, что эти ядра совершенно одинаковы и описываются одной волновой функцией, они ведут себя по-разному: одни из них распались, а другие - нет. Постулаты квантовой физики говорят, что эти ядра распались спонтанно, произвольно. То есть нет никакой причины, по которой одни ядра повели себя иначе. Причины нет вообще. Как сказал один из создателей квантовой механики фон Нойман, «природа не всегда следует в своем поведении закону достаточного основания». Фактически, если бы мы спросили у этих ядер, почему они себя так повели, они бы ответили: «Просто так захотелось, захотелось – и распались. Никто нас не заставлял». И все. Это обстоятельство называется индетерминизмом. Оно уже, как известно, вошло в культуру. Например, первый президент Чехии Вацлав Гавел сказал: «Коммунизм наткнулся на свободу воли». Получается, свобода воли есть не только у человека, но и у микрочастиц.И это касается не только ядер (я говорил о ядрах). То же и с электронами. Ну а с электронами были, например, такие опыты. Имеется источник электронов, две щели, два экрана. Мы следим, как электрон попадает на экран номер два, проходя через щели. Когда он попадает, возникает вспышка. Оказывается, что каждый электрон по отдельности может попасть куда угодно, перед ним есть набор возможностей. Эти возможности мы может предположить, зная, как электроны вылетают из прибора. Среди этих возможностей электрон может выбирать любую – это свобода выбора. И никто заранее не может предугадать, куда он попадет. Мы можем лишь сказать, куда электрон чаще всего будет попадать и куда реже. Мы можем это узнать, только наблюдая за несколькими электронами – за «коллективом», «толпой». Оказывается, для «толпы» можно делать предсказания, а для отдельного электрона – нет. То есть отдельный электрон совершенно свободен, а «толпа» – не свободна.
Существуют разные мнения по поводу индетерминизма. Первое мнение состоит в том, что этот индетерминизм характеризует объективную случайность, которая имеется в природе. Она связана не с тем, что мы чего-то не знаем. Есть мнение, что случайность обусловлена тем, что мы просто чего-то не знаем. Вот кидаешь, например, монету. Почему мы не можем предсказать, «орел» или «решка»? Плохо знаем условия падения монеты в воздухе – какое давление, температура и так далее. Если бы мы все это знали, ничего случайного бы не было. То есть случайность возникает оттого, что мы чего-то не знаем. Здесь же речь идет о другой случайности – случайности не потому, что человек чего-то не знает. Эта случайность изначальная, фундаментальная, и поэтому говорят – «объективная случайность». И вот эта объективность случайности (я в некоторых своих книгах об этом писал) связана с неким свойством, «свободой воли», частиц и присуща им.
Есть и другое мнение – что на самом деле она связана не с частицами, а с нами, поскольку в действительности эта случайность «спрятана» внутри нас. Это другая точка зрения, к которой мы сейчас подойдем.
Здесь возникает другая проблема, которая называется «проблема роли наблюдателя» [пишет на доске]. При обсуждении этой проблемы очень много происходило драматичного – очень много споров, экспериментов, которые ставились для проверки правоты спорщиков (поскольку, в отличие от гуманитарных наук, физика – наука точная; здесь, если что-то говорится, это, во-первых, формулируется математически, а затем ставятся опыты для проверки).
Проблема роли наблюдателя заключается в следующем. В физике изменение с течением времени волновой функции, которая описывает частицу, удовлетворяет некоему уравнению, которое называется уравнением Шредингера, и, зная состояние частицы в один момент времени, вы можете сказать, каким оно будет в другой момент. Это так же, как и в классической физике. Все эти уравнения известны. И, зная, какие силы действуют на частицу, вы можете предсказать, что с ней станет. Но есть еще одно обстоятельство. Помимо этого изменения, которое называется изменением А, есть еще изменение B. Рассуждают так: есть частица, мы ее измеряем с помощью какого-то прибора, но при измерении эта Ψ-функция превращается в другую – в одну из многих возможных с какой-то вероятностью. Превращение этой функции называется редукцией волнового пакета.
Индетерминизм появляется, когда есть измерение, то есть есть наблюдатель и он об этой частице что-то узнает – получает информацию. Итак, при получении информации, когда осуществляется измерение, происходит вот этот скачок. А сами частицы характеризуются некими особыми математическими величинами, которые еще называются операторами. Например, этот карандаш характеризуется определенной координатой в пространстве – x, y, z – и определенной скоростью, и они описываются числами. Квантовый же объект числами не характеризуется. А он характеризуется величинами, которые обладают таким свойством [пишет на доске], что ab – ba ≠ 0. Это свойство операторов. А мы-то с вами – люди – видим числа: прибор показывает числа, а вовсе не операторы. Но операторы связаны с числами: зная оператор, можно сказать, какое множество чисел ему соответствует. Здесь и возникает индетерминизм, поскольку оператору не одно число соответствует, а много. А какое из них увидит экспериментатор – покажет опыт. При этом сказать заранее, какое будет число, невозможно в принципе. Тут и скрывается индетерминизм.
Вы можете спросить: насколько это необычно? Дело в том, что термин «оператор» выбран не случайно. Оператор описывает действие, операцию. А действия – они, вообще говоря, не коммутируют: вы все знаете, например, что надеть рубашку, а затем пиджак – не то же самое, что надеть сначала пиджак, а потом рубашку. [смех в аудитории] Это не одно и то же. Поэтому действия не описываются числами – есть такое наблюдение.
Поэтому и говорят, что квантовые объекты – это не какие-то шарики, которые обладают неким цветом, размером и так далее, а наборы актов, действий, почему они и описываются операторами. Таким образом, при измерении получается определенная величина. Вне измерения, если никто не смотрит на эту частицу, есть ли у нее такая характеристика, как положение в пространстве? Ответ – нет, нету положения в пространстве. Есть ли у этой частицы определенная скорость, если никто не смотрит на нее? Ответ – нет, нету у нее никакой скорости. А что есть? Есть только волновая функция и операторы. А при наблюдении возникают определенные значения и координаты, и скорости.На эту тему был большой спор. Эйнштейн этому не верил. Потом была доказана очень важная теорема Белла, опыты были поставлены, сначала во Франции, затем в Австрии. И было показано, что прав не Эйнштейн, а Бор, который с ним спорил и который говорил, что определенные свойства квантовых объектов не существуют, если их не наблюдают. Что же это означает? Означает ли это, как в детском стихотворении Э. Мошковской, в котором ребенок спрашивает: «Куда деваются игрушки, когда я выхожу из комнаты? А когда я прихожу, откуда они появляются?» Тут примерно так же: когда я смотрю на игрушки, они есть, а когда не смотрю, неизвестно, есть они или нет. Классические физики думают, что есть. И это находит подтверждение. А в мире квантовых объектов это, однако, не так. Означает ли это, что квантовые объекты – это продукт нашего воображения? Нет, не означает.
Здесь, скорее, ситуация описывается вот как. [рисует на доске] Допустим, это квантовый объект, а это – прибор, который его наблюдает. Так вот, свойства, которые мы приписываем квантовому объекту, – это отношения между прибором и квантовым объектом. Они не есть атрибут только квантового объекта – это отношения прибора и квантового объекта. Впервые эта мысль была высказана Эйнштейном в теории относительности. По Эйнштейну, длина стола, например, зависит от того, стою неподвижно или двигаюсь: когда стою – полтора метра, когда иду – уже не полтора метра. А какова его длина, спрашивается, на самом деле? Да никакая. И та, и другая на самом деле. Потому что длина – это характеристика отношения меня, как системы отсчета, и стола, а не свойство стола как такового. В квантовой физике, как обратил внимание Нильс Бор и мой учитель В.А. Фок, такая же ситуация, только еще глубже. Здесь свойство обладания определенной характеристикой зависит от прибора.
И вот в этой связи – две интерпретации, касающиеся проблемы роли наблюдателя. Как мы сказали, без прибора нет свойств квантового объекта. А что такое прибор? Нильс Бор был склонен считать, что прибор можно описать классической физикой. И на этом можно остановиться. Фактически так оно и есть. Экспериментаторы используют разные ускорители, фотопленки и так далее – это все классические объекты. Но не все были этим удовлетворены. В частности, один из создателей квантовой механики Дж. фон Нойман, а за ним Ю. Вигнер и другие стали анализировать эту ситуацию более глубоко. Что это значит? Они говорят: вот есть квантовая частица (она маленькая) [рисует на доске], вот есть прибор (он большой), вот человек (он может быть еще больше, чем прибор, а может быть и меньше). Вот есть вся эта «компания». Но прибор-то тоже состоит из частиц – из атомов. Почему это мы вдруг решили, что он какой-то иной по своей природе, чем частицы? Это не так. Значит, – говорит фон Нойман, – мы могли бы объединить частицу и прибор в одну квантовую систему, на которую смотрит человек. Но у этого человека есть глаза. А глаза разве не состоят из атомов? Состоят. Тогда давайте границу «прибор – объект» перенесем дальше, за глаз – в мозг. Но мозг, – говорит фон Нойман, – тоже состоит из атомов, то есть квантовых объектов. Где же тогда наблюдатель? И кто же тогда все это в конечном счете определяет, так что вместо того чтобы развиваться в соответствии с уравнением Шредингера, вдруг происходит этот скачок? За счет кого происходит скачок? И фон Нойман говорит: это абсолютное Я наблюдателя. Это Я даже пишется с большой буквы. Абсолютное Я наблюдателя определяет, что истинно, а что ложно, и за счет этого определения истинного и ложного возникают свойства данных объектов. Абсолютное Я наблюдателя не состоит из атомов, но без него не будет всей этой картины. И сегодня уже показано, что все это так и есть. Что то, что мы называем классическим квантовым прибором, на самом деле классическим не является. Он, конечно, имеет квантовые свойства. А классический он потому, что мы не все у него наблюдаем. Дело в том, что когда нас интересует какая-то информация о квантовом объекте, то нам важно использовать только классические свойства этой системы, хотя она на самом деле квантовая. Это утверждение Дж. фон Ноймана и Ю. Вигнера стало получать большую популярность.
Тут также важно, что говорили такие ученые, как Ф. Лондон и Э. Бауэр. Еще в 1930-е годы была их статья. Фриц Лондон - обладатель Нобелевской премии за сверхпроводимость. Так вот, Ф. Лондон и Э. Бауэр говорили так: что вообще происходит вот в этой цепочке? В этой цепочке происходит такая вещь, что волновая функция всего этого вместе, включая наблюдателя, имеет вид вот такого произведения: [пишет на доске] – это квантовый объект, затем, допустим, – это прибор и затем – функция, которая образует состояние сознания. А у сознания есть такое свойство, как «сознавать», или это свойство ещё называется интроспекцией. Я знаю, что я знаю, я отдаю отчёт в том, что я сейчас знаю. Вот если я не отдаю отчёт, то я, наверное, бессознательный какой-то; если я надышался ксенона, то уже не отдаю отчёт, что тут вокруг. А вот свойство «отдавать отчет» приводит к тому, что из т этой всей суммы выбирается только одно какое-то значение, и вся сумма превращается в один элемент. Это и есть математическая операция редукции, о которой всё время идет разговор. Таким образом, интроспекция очень важна для того, чтобы окружающий нас мир приобрёл те очертания, которые мы видим.
Продолжение...
