Книга: Вселенная

Глава 42 Есть ли у фотонов сознание?

Глава 42

Есть ли у фотонов сознание?

Если сознание — нечто несводимое к физическим свойствам материи, то возникает загадка: что было с сознанием на протяжении всех тех миллиардов лет, пока не возникла жизнь?

Поэтический натуралист без труда отвечает на этот вопрос. Возникновение сознания — это фазовый переход, подобный закипанию воды. Тот факт, что достаточно горячая вода всегда имеет форму пара, не означает, что вода всегда обладает неким «газоподобием», даже пока является жидкостью. Система просто приобретает новые свойства, когда ситуация изменяется.

Однако если вы считаете, что ментальные свойства — дополнительная составляющая, не сводимая к базовому физическому субстрату, то задать вопрос о том, что происходило с этой составляющей на протяжении большей части истории Вселенной, было бы очень проницательно. Наиболее прямолинейный ответ таков: эти свойства существовали всегда, даже до возникновения мозга и вообще каких-либо организмов. Отдельные атомы и частицы, отскакивавшие друг от друга в юной Вселенной либо в настоящее время находящиеся в недрах Солнца или в пустынном и холодном межгалактическом пространстве, уже обладали собственными ментальными свойствами. Таким образом, можно было считать, что у них есть крупицы сознания.

Предположение о том, что сознание пронизывает всю Вселенную и присуще любому материальному предмету, именуется панпсихизмом. Это старинная идея, восходящая ещё к древнегреческим философам Фалесу и Платону, а также к некоторым течениям буддизма. В наше время эту идею серьёзно обдумывали такие философы, как Дэвид Чалмерс, и некоторые нейрофизиологи, например Джулио Тонони и Кристоф Кох. Вот с какой замечательной стойкостью Чалмерс признаёт, какие следствия вытекают из подобной точки зрения.

Даже у фотона есть сознание, в какой-то степени. Идея не в том, что у фотонов есть интеллект или мышление. Не то чтобы фотон терзается тревогой, думая: «Ах, я то и дело гоняю туда-сюда на скорости света. Никогда мне не замедлиться, не вдохнуть аромат роз». Нет, вовсе не так. Но, возможно, у фотонов есть некий элемент примитивного субъективного ощущения, некий примитивный предшественник сознания.

Сознание, по крайней мере протосознание, может быть аналогично «спину» или «электрическому заряду» — одному из базовых свойств, характеризующих любую мельчайшую частицу материи во Вселенной.

* * *

Стоит всерьёз отнестись к следствиям этой идеи и рассмотреть, насколько хорошо она сочетается с известной нам физикой фотонов.

В отличие от сложного и труднообъяснимого мозга, элементарные частицы, например фотон, исключительно просты, поэтому их относительно легко изучать и понимать. Физики говорят, что различные частицы обладают разными «степенями свободы» — в принципе речь идёт о том, сколько видов такой частицы может существовать. Например, у электрона две степени свободы. У него есть и электрический заряд, и спин, но электрический заряд может принимать всего одно значение (?1), а спин бывает верхним или нижним. Дважды один равно двум — получается две степени свободы. В свою очередь, u-кварк имеет шесть степеней свободы: как и у электрона, у него фиксированный заряд и два возможных направления вращения, но он также может иметь один из трёх «цветов», а один умножить на два и умножить на три равно шести. Фотоны имеют строго нулевой электрический заряд, но у них есть два варианта спина, а следовательно, у фотона две степени свободы, как и у электрона.

Мы могли бы попытаться интерпретировать возможное существование ментальных свойств самым прямолинейным образом — по аналогии с элементарными частицами, для каждой из которых мы вводим новые степени свободы. Допустим, фотон может обладать не только конкретным спином, но и одним из двух ментальных состояний: условно назовём их «весёлый» и «грустный», хотя эти наименования скорее поэтические, чем реалистические.

Такая крайне буквальная версия панпсихизма, вероятно, не может быть верна. Одна из основных вещей, известных нам о Базовой теории, — сколько именно степеней свободы есть у каждой частицы. Вспомните диаграммы Фейнмана, рассмотренные в главе 23; они описывают, как элементарные частицы отскакивают друг от друга, обмениваясь при этом другими частицами. Каждая диаграмма соответствует значению, которое можно рассчитать, характеризующему общий вклад конкретного процесса в конечный результат. Например, два электрона отскакивают друг от друга, обмениваясь фотонами. Эти значения были экспериментально проверены с исключительной точностью, и Базовая теория блестяще прошла этот тест.

Важнейший параметр при расчёте таких процессов — это число степеней свободы, присущих каждой частице. Если бы у фотонов были какие-то скрытые степени свободы, о которых мы пока не знаем, то эти свойства влияли бы на все прогнозируемые результаты экспериментов с рассеянием, связанных с фотонами, и все наши прогнозы не подтверждались бы на практике. Такого не происходит. Итак, мы можем однозначно заключить, что фотоны не могут быть «весёлыми» или «грустными», а также не могут иметь каких-либо иных ментальных свойств, функционально аналогичных степеням свободы.

Сторонники панпсихизма, вероятно, не стали бы утверждать, что ментальные свойства играют некие роли, позволяющие сравнивать их с физическими степенями свободы, поэтому предыдущий аргумент их не разубедит. В противном случае эти новые физические свойства ничем не отличались бы от обычных.

В итоге мы оказываемся на позиции, очень напоминающей ситуацию с обсуждением зомби: мы постулируем новые ментальные свойства, а затем утверждаем, что они не дают никаких наблюдаемых физических эффектов. В таком случае, что, если заменить «протосознательные фотоны» на «зомби-фотоны», у которых нет таких ментальных свойств? На уровне свойств физической материи, в том числе и таких феноменов, как разговор, переписка или невербальный контакт с возлюбленным, мир с зомби-фотонами ничуть не отличался бы от мира, фотоны в котором обладают ментальными свойствами.

Следовательно, хороший байесовец заключил бы, что мы живём как раз в мире зомби-фотонов. Мы просто ничего не получаем, приписывая сознательные черты отдельным элементарным частицам. Такое приписывание не является полезным способом рассуждения о мире; оно не даёт никакой новой информации и не позволяет давать более достоверных прогнозов. Мы просто накладываем дополнительный метафизический уровень сложности на такое описание, которое и без него является абсолютно успешным.

Представляется, что сознание по природе своей — коллективный феномен, способ рассуждения о поведении сложных систем, способных строить модели себя самих и окружающего мира в форме своих внутренних состояний. Тот факт, что полнофункциональное сознание существует здесь, в нашей современной Вселенной, ещё не означает, что следы сознания должны были проявляться с самого её зарождения. Некоторые вещи возникают по мере развития Вселенной, увеличения сложности и энтропии: таковы галактики, планеты, организмы и сознание.

* * *

Неизвестно, обладают ли отдельные частицы своеобразным протосознанием; как бы то ни было, существует долгая история о том, как человек пытался увязать тайну сознания с другой знаменитой таинственной системой: квантовой механикой. Так, Дэвид Чалмерс, размышлявший над этой проблемой, иронически сформулировал «Закон минимизации тайны»: сознание таинственно, и квантовая механика таинственна, поэтому, возможно, у этих двух тайн есть какой-то общий источник.

Несомненно, что с квантовой механикой связаны настоящие тайны — и прежде всего это то, что именно происходит, когда наблюдатель измеряет параметры квантовой системы. В эвереттовской многомировой интерпретации ответ прост: ничего особенного. Ситуация продолжает плавно развиваться в соответствии с детерминистическим множеством уравнений, но взаимодействие макроскопического наблюдателя с обширной окружающей средой приводит к тому, что способ рассуждения о ситуации изменяется с «одна Вселенная существует в квантовой суперпозиции» на «существуют две отдельные Вселенные». Тот факт, что наблюдатель обладает сознанием, не играет ровно никакой роли; в качестве наблюдателя вполне может выступать нематода, видеокамера или камень.

К сожалению, не все признают преимущества этого подхода. В академической версии квантовой механики предполагается, что в процессе наблюдения наступает некий момент, в который функция «коллапсирует». До коллапса частица может находиться в суперпозиции двух состояний, например обладать сразу верхним и нижним спином; после коллапса остаётся всего один из альтернативных вариантов. Итак, что именно приводит к коллапсу? Есть рациональное зерно в версии, что коллапс может быть связан с участием сознающего наблюдателя, причём ряд уважаемых физиков много лет придерживался такой версии.

Версия о том, что сознание играет какую-либо роль в понимании квантовой механики, в настоящее время утратила практически всю поддержку, которой некогда пользовалась. Сейчас мы понимаем квантовую механику гораздо лучше, чем её основатели; у нас есть очень конкретные и количественно выверенные теории, позволяющие достоверно объяснить, что именно происходит в процессе измерения; при этом совершенно нет необходимости апеллировать к сознанию. Мы не знаем, какая из этих теорий верна (и верна ли вообще какая-либо из них), поэтому тайны остаются, и, хотя мы пока не можем получить окончательный ответ, само существование правдоподобных альтернатив заставляет усомниться в сравнительно экстравагантных вариантах.

Некоторым людям свойственно чрезмерно увлекаться необычными возможностями — они охотно хватаются за излюбленные модные словечки и пользуются ими, как вздумается. Именно так обычно складывается ситуация с выражением «квантовое сознание», которое употребляется в дилетантских беседах. Согласно квантовой механике, суперпозиция превращается в конкретный результат как раз в процессе наблюдения, по крайней мере для любого отдельно взятого наблюдателя. Несложно извратить эту формулировку так, словно сознательное наблюдение в буквальном смысле порождает реальность.

Это предельно антикоперниковский ход, попытка вернуть человеку центральное место в нашей картине мироздания. Естественно, можно ощутить себя незаметным на фоне безбрежности космоса, и, пожалуй, вам претит слушать, что атомы вашего тела подчиняются обезличенным законам физики, а вам говорят: «Эй, не волнуйтесь — вы личности, и каждый из вас ежесекундно создаёт мир, просто рассматривая его». Сторонники такого подхода иногда могут ввернуть что-нибудь о «запутанности» — это явление также не тайна, а просто интересное свойство квантовой механики, — чтобы вы почувствовали собственную «связь» со всеми другими частичками Вселенной. На закуску вам могут сообщить, что квантовая механика вообще отменяет существование физического мира и оставляет нам лишь идеализм, где всё сущее есть просто проекция разума.

Ничто из того, что известно нам о физике, не свидетельствует об истинности таких воззрений. Хотя квантовая механика и таинственна, это всё-таки — во всех предложенных формулировках — обычная физическая теория, подчиняющаяся объективным законам, которые выражаются в виде уравнений. В частности, даже в тех интерпретациях, где волновая функция действительно коллапсирует в случае наблюдения за системой, сам наблюдатель никак не влияет на конечный результат измерения. Результат просто подчиняется правилу — правилу Борна, описывающему квантовые вероятности, согласно которому вероятность каждого результата равна квадрату значения волновой функции. Ничего потустороннего, ничего личного, ничего сугубо человеческого. Просто физика.

* * *

«Квантовое сознание» в такой дурной формулировке отличается от другой идеи, которая пусть и спекулятивна, но хотя бы разумна с физической точки зрения: квантовые процессы играют важную роль в функционировании мозга. В некоторой степени это утверждение является тривиально верным. Мозг состоит из частиц, представляющих собой вибрации квантового поля, и эти вибрации подчиняются законам квантовой механики. Однако нейрофизиология в основном исходит из предположения, согласно которому важные процессы, происходящие в мозге, хорошо описываются аппроксимациями, взятыми из классической физики. Нам не требуется работать с волновыми функциями или запутанностью, чтобы запустить ракету к Луне, и кажется разумным, что эти явления не нужны и для того, чтобы разобраться в том, что происходит в мозге.

Мозг — тёплая влажная среда, а не холодный и выверенный лабораторный аппарат. Каждую частицу у вас в голове постоянно бомбардируют другие частицы, в результате чего возникает непрерывная череда «коллапсов» (или, как сказали бы бесстрашные эвереттовцы вроде меня, волновая функция постоянно ветвится). У частиц почти нет времени, чтобы зависнуть в суперпозиции, запутаться с другими частицами и т. д. Поддерживать квантовую когерентность в мозге, по-видимому, не проще, чем выстроить во дворе карточный домик во время урагана.

Тем не менее последние биологические открытия демонстрируют, что живые организмы действительно пользуются некоторыми квантовыми эффектами, выходящими за рамки классической физики. Так, при фотосинтезе передача энергии происходит с участием частиц, находящихся в квантовой суперпозиции. (Дарвиновская эволюция наткнулась на квантовую механику задолго до того, как её открыл человек.) Итак, нельзя чисто умозрительно отметать возможность того, что квантовые эффекты играют в мозге важную роль — нам придётся придерживаться обычной эмпирической байесовской процедуры, формулировать гипотезы и проверять их на материале имеющихся данных.

Физик Мэтью Фишер идентифицировал в мозге ряд очень специфичных квантовых объектов, которые могут запутываться друг с другом и оставаться в состоянии запутанности относительно долго; речь идёт о ядрах некоторых атомов фосфора, которые встречаются в субгруппах молекул АТФ и в других местах. В модели Фишера частота химических реакций с участием этих атомов зависит от того, обладают ли их ядра квантовой запутанностью с другими расположенными поблизости атомами фосфора. Итак, квантовая механика может играть самую непосредственную роль в функционировании мозга — возможно, она даже позволяет мозгу действовать в качестве «квантового компьютера». Либо нет — всё это новые спекулятивные идеи. Они напоминают нам, что не стоит делать скоропалительных заключений, обсуждая столь тонкую и сложную систему, как мозг.

Однако в большинстве случаев, когда людям случается задуматься о квантовых эффектах в мозге, их занимают не столь прозаические вещи, как «вычислительная способность» мозга. Они стремятся сформулировать новую физику, которая позволила бы объяснить сознание.

Наиболее знаменитым сторонником такого подхода является Роджер Пенроуз, британский физик и математик, прославившийся своими работами, важными для современного понимания эйнштейновской общей теории относительности. Пенроуз — один из тех учёных, кто выдаёт блестящие идеи с такой же лёгкостью, с какой обычный человек стряхивает хлебные крошки с рубашки. Он уверен в том, что человеческому мозгу под силу такое, с чем компьютер не справится. Однако компьютер может смоделировать любой процесс, который возможен в соответствии с известными законами физики. Итак, требуется, чтобы при работе мозга проявлялись какие-то подлинно новые физические феномены, например какой-то особенный коллапс волновой функции.

Аргумент Пенроуза выверен и хитроумен, но в конечном счёте неубедителен для абсолютного большинства специалистов по физике, нейрофизиологии или сознанию. Пенроуз начинает своё доказательство с теоремы Гёделя о неполноте, прославившей австрийского логика Курта Гёделя. Рискуя чрезмерно упростить теорему о неполноте, постараюсь передать её суть. В любой непротиворечивой математической формальной системе — наборе аксиом и правил для вывода следствий из них — будут такие утверждения, которые верны, но не могут быть доказаны в рамках данной системы. (Основной приём Гёделя заключался в том, что он показал, как выразить посылку «Это утверждение не может быть доказано» в рамках любой достаточно мощной формальной системы. Либо это утверждение удаётся доказать и, следовательно, оно ложно, поскольку демонстрирует противоречивость вашей системы, либо его не удаётся доказать и, следовательно, оно истинно.) Компьютер, работающий на основе адекватного набора формальных правил, не сможет доказать такое утверждение.

Однако, продолжает Пенроуз, человек-математик без труда воспримет подобные утверждения как верные. Следовательно, процессы в мозге человека-математика должны выходить за рамки формальной математической системы. Непонятно, как человеку это удаётся в рамках известных законов физики.

В главе 24 обсуждался вопрос о том, что должен существовать изъян в столь смелом утверждении, что все законы физики, лежащие в основе повседневной жизни, уже полностью известны; причём наиболее вероятно, что может измениться наше представление о квантовых измерениях. У Пенроуза есть некоторые идеи относительно того, каковы могут оказаться такие изменения, — так, они могут быть связаны с квантовой гравитацией и особыми структурами в мозге, которые называются микротрубочками. Но вся загвоздка в том, что волновые функции структур нашего мозга коллапсируют именно так, что человек обретает прозорливость и познавательные способности, недостижимые для компьютеров.

В данном случае можно высказать ряд возражений, и учёные с удовольствием уже много лет осыпают ими Пенроуза. Самые сильные возражения основаны на том, что сложно перейти от утверждения «Человеческое сознание работает не как формальная математическая система» к «Человеческий мозг не подчиняется известным законам физики». Так называемое мышление — это способ рассуждения об очень высокоуровневом эмерджентном феномене. Мышление может формироваться на основе абсолютно жёстких и логичных базовых процессов, которые, тем не менее, не обладают никакими свойствами мышления. Действительно, строгая логика (или даже возможность правильно перемножать большие числа) традиционно остаётся слабым местом человека. Наши мысли скачут, мы совершаем ошибки, полагаемся на чутьё. Тот факт, что мы можем делать выводы, к которым не может прийти формальная математическая система, не кажется таким уж удивительным.

В принципе теорема Гёделя о неполноте не утверждает, что всегда существуют истинные недоказуемые утверждения. Напротив, она постулирует, что такие утверждения имеются в любой непротиворечивой формальной системе. Как узнать, что определённый набор аксиом определяет непротиворечивую систему? Или — выражаясь иначе — как убедиться в том, что мы в самом деле «воспринимаем» истинность гёделевских самореферентных утверждений?

Как указывает Скотт Ааронсон, правильнее говорить, что мы считаем некоторые системы непротиворечивыми, хотя Гёдель продемонстрировал, что мы никогда не сможем этого доказать. Если мы позволяем компьютеру считать, что система непротиворечива, то он будет без труда доказывать утверждения вроде «Это утверждение недоказуемо». (Доказательство: если бы оно было доказуемо, то система была бы противоречива!) Ааронсон цитирует Алана Тьюринга: «Если мы хотим, чтобы машина была разумна, она при этом не сможет быть безотказна. Существуют теоремы, доказывающие именно это». Разумеется, люди соответствуют такому критерию разумности (они совершают ошибки).

С байесовской точки зрения тот факт, что человеческий мозг естественным образом чувствует истину, которую нельзя доказать при помощи абсолютно строгой компьютерной программы, кажется далеко не столь убедительным, чтобы на его основе изменять наши наилучшие представления о квантовой механике. Прежде всего это связано с тем, что цели, с которыми вносятся такие модификации, непосредственно не связаны с тайнами самой квантовой механики — речь идёт только о попытках объяснить прозорливость и чудесные когнитивные способности человеческого мозга. В конце концов, способность мозга улавливать истинность недоказуемых утверждений ничуть не помогает нам понять Сложную Проблему, связанную с внутренним ментальным опытом. Если Сложная Проблема кажется вам трудной, то квантовая механика вряд ли поможет вам с ней справиться; если вам кажется, что не всё так плохо, то, пожалуй, вы не стремитесь переписывать законы физики ради понимания устройства мозга.