Роджер Пенроуз - Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики
Когда это происходит? Согласно очень грубым расчетам[196], если бы имелась только одна однородная шарообразная капля, то одногравитонный уровень достигался бы, когда ее масса вырастет до одной сотой от величины mPl, что составляет одну десятимиллионную грамма. В этом расчете много неопределенностей (включая трудности принципиального характера), да и величина полученной массы несколько великовата, однако результат не совсем уж бессмысленный. Остается надеяться на появление в будущем более точных расчетов и возможность рассмотрения всей цепочки, а не просто одной из составляющих ее капель. К тому же учет неоднородности капель — того факта, что они состоят из большого числа мельчайших атомов, может существенно изменить результат, да к тому же сам «одногравитонный критерий» нуждается в существенном математическом уточнении.
В описанной выше ситуации рассматривалось возможное реальное наблюдение квантового процесса (распада радиоактивного атома), при котором квантовые эффекты оказываются усиленными настолько, что различные квантово-механические альтернативы приводят к различным и непосредственно наблюдаемым макроскопическим альтернативам. Я считаю, что R-процедура действительно может иметь место объективным образом даже в отсутствие столь ярко выраженного усиления. Предположим, что наша частица попала не в камеру Вильсона, а просто в большой ящик, заполненный газом (или жидкостью) с плотностью, обеспечивающей практически гарантированное столкновение частицы или иное ее воздействие на большое число атомов газа. Рассмотрим всего два варианта возможного поведения частицы, как составные части начальной линейной суперпозиции: частица может просто не попасть в ящик совсем или же она попадет в него по определенной траектории и окажется отраженной каким-либо атомом газа. Во втором случае соответствующий атом газа отскочит, двигаясь с очень большой скоростью так, как он никогда не повел бы себя, не столкнись он с частицей, затем столкнется с еще одним атомом и, в свою очередь, отрикошетит от него. После этого движение двух атомов будет отличаться от их движения в отсутствие столкновения с частицей, и мы будем иметь уже целый каскад движений атомов в газе, невозможный в отсутствие первоначального попадания частицы в ящик (рис. 8.8).
Рис. 8.8. Гравитационные поля частиц (условное
изображение). При попадании частицы в ящик с газом через некоторое время практически все атомы газа оказываются охваченными порожденным частицей возмущением. Линейная квантовая суперпозиция частицы, попавшей в ящик, и частицы, не попавшей в ящик, подразумевает линейную суперпозицию двух различных пространственно-временных геометрий, описывающих гравитационные поля двух различных распределений частиц газа. В какой момент различие между этими геометриями достигает одногравитонного уровня?
Вскоре после этого порожденное частицей возмущение охватит практически все атомы газа.
Подумаем теперь, как эту ситуацию можно описать на языке квантовой механики. Вначале мы имеем лишь исходную частицу, и ее различные положения составляют комплексную линейную суперпозицию — волновую функцию частицы. Однако через какое-то время квантово-механическое описание должно уже охватывать все атомы газа. Рассмотрим комплексную суперпозицию двух возможных траекторий частицы, при движении по одной из которых частица попадает в ящик, а по другой — нет. Стандартная квантовая механика требует распространения этой суперпозиции на все атомы газа: мы должны рассмотреть суперпозицию двух состояний, таких, что положение атомов газа в одном состоянии оказываются смещенными относительно их положений в другом состоянии. Теперь рассмотрим разность гравитационных полей всех отдельных атомов. Хотя распределение газа (и гравитационное поле) в целом практически одинаково для обоих состояний, чью суперпозицию мы должны рассмотреть, если мы вычтем одно поле из другого, то получим (сильно флуктуирующее) разностное поле, которое вполне может оказаться «значительным» в подразумеваемом здесь смысле — а именно это разностное поле вполне может превысить одногравитонный уровень. По достижении этого уровня немедленно же происходит редукция вектора состояния: в реальном состоянии частица либо попала в ящик, либо нет. Комплексная линейная суперпозиция сводится к статистически взвешенным альтернативам с осуществлением только одной из них.
В предыдущем примере я рассматривал камеру Вильсона в качестве способа квантово-механического наблюдения. Я считаю, что и другие виды таких наблюдений (фотопластинки, искровые камеры и т. д.) можно анализировать в рамках одногравитонного критерия, используя подход, примененный в описанном выше случае ящика с газом. Многое еще предстоит сделать, чтобы разобраться в подробностях применения этой процедуры.
Изложенные здесь соображения представляют собой всего лишь зачаток новой теории, которая, как мне кажется, является столь необходимой[197]. Для того, чтобы быть полностью удовлетворительной, любая схема должна, по-моему, включать в себя радикально обновленные представления о природе пространственно-временно́й геометрии, быть может, с применением нелокального описания[198]. Один из самых неоспоримых доводов в пользу этого следует из экспериментов ЭПР-типа (см. гл.6 «„Парадокс“ Эйнштейна, Подольского и Розена» и гл.6 «Эксперименты с фотонами: проблема для специальной теории относительности?»), в которых «наблюдение» (в данном случае — срабатывание фотоэлемента) в одном конце комнаты может вызвать мгновенную редукцию вектора-состояния в другом конце комнаты. Построение полностью объективной теории редукции вектора-состояния, не противоречащей духу теории относительности, представляет собой очень трудную и глубокую задачу, поскольку понятие «одновременности», будучи зависимым от движения некоторого наблюдателя, является чуждым теории относительности. Я убежден, что наше современное представление о физической реальности — особенно в том, что касается природы времени — нуждается в коренном пересмотре, пожалуй, даже в более радикальном, чем тот, который был вызван к жизни современной теорией относительности и квантовой механикой.
Вернемся к исходной проблеме. Какое все это имеет отношение к физическим законам, которые управляют действиями нашего мозга? Как это связано с нашими мыслями и чувствами? Для того, чтобы попытаться хоть как-то ответить на эти вопросы, придется сначала немного разобраться в устройстве нашего мозга. Потом я вернусь к проблеме, которую считаю фундаментальной: какого рода новые физические действия происходят, когда мы сознательно мыслим или воспринимаем что-либо?
Глава 9
Реальный мозг и модели мозга
Как же устроен мозг?
У нас в голове находится великолепное устройство, которое управляет нашими действиями и каким-то образом дает нам представление об окружающем мире. Правда, как однажды отметил Алан Тьюринг[199], внешне оно больше всего напоминает миску холодной овсянки! Трудно представить, как столь заурядного вида объект умудряется совершать чудеса, на которые, как мы знаем, он способен. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что он имеет гораздо более сложное строение и замысловатую организацию (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Мозг человека: вид сверху, сбоку, снизу и в разрезе
Больша́я покрытая извилинами (и более всего похожая на овсянку) часть мозга, расположенная сверху, называется собственно головным (или большим) мозгом. Он четко делится посередине на правое и левое полушария и, более условно, в передне-заднем направлении — на лобную долю и три остальные: височную, теменную и затылочную. Еще дальше и несколько книзу расположен небольшой и округлый мозжечок, чем-то похожий на пару клубков шерсти. Глубоко внутри мозга, как бы укрытый им, находится целый ряд любопытных и сложных на вид структур: варолиев мост и продолговатый мозг, которые вместе с ретикулярной формацией — областью, к которой мы обратимся позднее — составляют ствол мозга, а также таламус, гипоталамус, гиппокамп, мозолистое тело и еще много других, странных как по виду, так и по названиям, частей.
Большой мозг — предмет особой гордости человека и не только потому, что он является самой большой частью человеческого мозга, но и потому, что пропорция между этой частью и мозгом в целом у человека больше, чем у животных. (Мозжечок человека тоже превосходит размерами таковой у большинства других животных.) Головной мозг и мозжечок имеют сравнительно тонкий наружный слой серого вещества, под которым расположено значительно большее по массе белое вещество. Эти области серого вещества называют, соответственно, корой головного мозга и корой мозжечка. Считается, что в сером веществе происходят различные вычислительные действия, а белое вещество, состоящее из длинных нервных волокон, отвечает за передачу сигналов из одной части мозга в другую.
