Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер, изучавший роль математической симметрии в квантовой механике, прямо обращался к вопросу роли сознания в квантовой физике: «Когда область действия физической теории была расширена до микроскопических явлений… понятие сознания снова вышло на передний план. Законы квантовой механики невозможно было сформулировать полно и последовательно, не ссылаясь на сознание».[153] Говоря «снова», Вигнер имеет в виду Рене Декарта с его афоризмом Cogito ergo sum («Мыслю, значит существую»), признающим верховенство мысли. Вигнер, как и Гейзенберг до него, понимал, что любому измерению требуется сознание, которое его истолкует. От наблюдаемого объекта к детектору и от него к сознанию наблюдателя простирается единый континуум. В классической физике разумный наблюдатель тоже необходим – для разработки эксперимента и толкования его результатов, – но разница состоит в том, что в квантовом мире измерение делает измеряемое реальностью. Без сознания реальности не существует. Задача, которую Джон Белл называл центральной проблемой квантовой механики, состоит в том, чтобы найти границу между реальным классическим «внешним» миром и связанным с ним «внутренним» квантовым уровнем реальности.

Для того чтобы проиллюстрировать эту проблему, используется метафора «друга Вигнера». Представим себе, что друг Вигнера, физик-экспериментатор, создал аппарат для измерения спина электрона. Он может быть направлен вверх или вниз, и до начала измерений, когда электрон находится в суперпозиции, вероятность каждого из этих результатов составляет 50 %. Начав опыт, друг Вигнера обнаружит спин, направленный либо вверх, либо вниз. После того как измерение проведено, не существует ни суперпозиции, ни вероятностей. Допустим, Вигнер знает об этом эксперименте, но спрашивает о результатах только после его завершения. Другу Вигнера результат уже известен, то есть волновая функция уже сколлапсировала в одно из двух возможных состояний. Однако для самого Вигнера электрон остается в суперпозиции до тех пор, пока его друг не ответит на вопрос о результатах опыта. «Подобная дуалистичность совершенно бессмысленна», – писал реальный Вигнер. Ведь из сложившейся ситуации можно сделать вывод, что до тех пор, пока Вигнер не задаст своему другу вопрос, сам друг будет находиться в суперпозиции («состоянии заморозки»), соответствующей двум возможным результатам измерений. Все мы помним, чем это закончилось для кота Шрёдингера. Вигнер заключает: «Соответственно, мыслящее существо должно играть в квантовой механике иную роль, нежели неодушевленный вычислительный прибор».[154] Если точнее, «сознание неизбежно и неизменно входит в [квантовую] теорию».[155]

Физик Джон Уилер из Принстона развил идеи Вигнера в своей концепции «соучастной Вселенной». Он заявил, что акт измерения представляет собой нечто большее, чем просто наблюдение: он определяет, как Вселенная будет развиваться во времени с момента измерения (и даже в обратном направлении!). Как только экспериментатор решает измерить свойства электрона определенным образом (например, с помощью детектора частиц, а не волнового интерферометра), будущее Вселенной изменяется. «Изменяется самим экспериментатором. Нужно слово “наблюдатель” и заменить его словом “участник”», – заявлял Уилер на конференции в Оксфорде в 1974 году.[156]

Для того чтобы прояснить свою точку зрения, Уилер предложил мысленный эксперимент. Предположим, что ученый устанавливает источник фотонов, которые должны преодолеть препятствие с двумя прорезями, как в обычных опытах с квантовой интерференцией. Источник можно настроить таким образом, чтобы за определенный промежуток времени он испускал только один фотон. За препятствием установлен экран, на котором должен отображаться ожидаемый экспериментатором интерференционный узор из черных и белых полос. Этот экран имеет колесики, которые позволяют ученому двигать его вдоль траектории движения фотонов после прохождения через препятствие. За экраном имеются два детектора, каждый из которых ориентирован на одну из прорезей в препятствии.

Диаграмма эксперимента Уилера с отложенным выбором

Таким образом, если экран сдвинут, детектор может уловить, через какую прорезь двигался фотон. Существует два возможных варианта развития событий: или экран находится на месте и экспериментатор видит на нем интерференционный узор, или экран сдвинут в сторону и тогда наблюдатель знает, через какую прорезь прошел фотон. Но вот в чем хитрость: экспериментатор может решить, сдвигать экран или нет, только после прохождения фотона через прорези.

Уилер предположил, что фотон будет реагировать на выбранное устройство наблюдения. Он назвал свой опыт экспериментом с отложенным выбором. Свободный выбор экспериментатора определяет физическое состояние фотона (волна он или частица) и, судя по всему, этот выбор направлен назад в прошлое. Уилер объяснял эту идею так: «Прошлое не существует иным образом, кроме как в виде зафиксированного результата в настоящем… Вселенная не находится где-то вовне, независимая от наших наблюдений. Вместо этого мы имеем дело со своего рода соучастной Вселенной». Позже он отмечал в описании аналогичного эксперимента с использованием космического источника света: «Мы решаем, что фотон должен был сделать, после того, как он уже это сделал». Наш выбор вмешивается в прошлое частицы. Уилер экстраполирует свою идею на Вселенную в целом: наблюдатель «дает миру возможность воплотиться в реальности за счет придания ему смысла». «Если говорить кратко, – пишет он, – без сознания нет коммуницирующего общества для создания смыслов, а без них нет и мира… Вселенная порождает сознание, а сознание придает Вселенной смысл».[157]

Выводы Уилера кажутся несколько натянутыми, но, как ни удивительно, его концепция отложенного выбора недавно была подтверждена экспериментально, по крайней мере для квантовых систем. В 2007 году Венсан Жак и его коллеги (среди которых был и Алейн Аспект, который, как вы помните, продемонстрировал наличие нарушений в неравенстве Белла) провели эксперимент, описанный Уилером, в точности следуя его инструкциям и обеспечив невозможность коммуникации на скоростях вплоть до световой. Таким образом, фотон не мог «знать», как именно он будет измеряться.[158] В конце своего труда Жак и соавторы цитируют Уилера: «Мы наблюдаем странную инверсию нормального движения времени. Передвигая зеркало, мы неизбежно оказываем влияние на то, что мы можем сказать о прошлом наблюдаемого фотона».[159]