Роджер Пенроуз

Вклад Роджера Пенроуза в науку сегодня сравнивают с научным подвигом Альберта Эйнштейна. В то время как другие физики обычно пытаются популяризировать содержание и значение достижений современной науки, Роджер Пенроуз в своих трудах предлагает читателям головокружительную, я бы сказал ошеломляющую, возможность существования иных, парадоксальных версий современной физики, новых представлений о фундаментальных процессах, позволяющих объединить почти не связанные друг с другом теории, относящиеся к самым разнообразным наукам (физике, математике, биологии, нейрофизиологии и даже философии).

Р.Пенроуз — один из самых блестящих математиков современности, но его работы в области астрофизики и космологии всегда имели физические обоснования. Одна из сформулированных им теорем в этой области доказывает, что внутри так называемых черных дыр возникают физические сингулярности пространства-времени, т. е. в некоторых точках искривленность пространства (или соответственно плотность материи) становится бесконечно большой. Вторая теорема о «бесконечности» утверждает, что классическая релятивистская теория гравитации неизбежно приводит к сингулярностям такого типа в космологических моделях, связанных с Большим Взрывом. Эти теоремы ярко проиллюстрировали, что нынешние теории весьма далеки от завершенности, поскольку в замкнутых и зрелых физических построениях такие сингулярности не должны возникать.

КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ

В книге «Новый ум короля» («The Emporer's New Mind») Роджер Пенроуз показал, что современная физика неполна без теории квантовой гравитации, которая сможет не только прояснить космические феномены, но и прольет свет на природу сознания.

Предложенная Пенроузом более тридцати лет назад теория твисторов является одной из первых попыток объединения общей теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. Кстати, частое сравнение Пенроуза с Эйнштейном связано с тем, что многие его теории современным физикам кажутся столь же невероятными, как некогда теория гравитации Эйнштейна. Я бы сказал, что сам способ познания Пенроуза нетривиален и предлагает что-то вроде нового способа познания — не от частного к целому, как действует наука с начала Нового времени, а, наоборот — от целого к частному. Примерно так в Древней Греции думал Платон. Такой подход к миру приковывет внимание Пенроуза к глобальным проблемам: он берет знакомую всем физику и начинает глобально и последовательно мыслить, внимательно отслеживая, что при этом получается…

Высказанная Пенроузом теория начала Вселенной поначалу вызвала бурю негодования в научном сообществе. Он покусился на две священные коровы физики: квантовую инфляционную теорию Большого взрыва, или мгновенного раздувания Вселенной тотчас после возникновения, и боровскую интерпретация квантовой механики, не учитывающую гравитации. Вот слова самого Роджера: «Дело в том, что мы не понимаем по-настоящему, что квантовая механика утверждает. Я однажды читал лекцию и сказал, что есть два очень важных свидетельства в пользу квантовой механики и только одно против. Первое свидетельство в пользу — это то, что она объясняет все экспериментальные данные. Второе — она чрезвычайно красива. А единственное "против" состоит в том, что она не имеет смысла».

Роджера Пенроуза часто называют рыцарем (я бы уточнил — Дон Кихотом) физики, ищущим наиболее сложные (я бы сказал — фантастически сложные) проблемы и пытающимся эти проблемы если не разрешить, то поставить и принудить научное сообщество к их обсуждению. По этой причине у этого эксцентричного ученого огромное количество приверженцев и еще большее — оппонентов, вербующихся по генетически предопределенным признакам революционности или консерватизма сознания. Перед нами яркий пример парадоксалиста, логика которого одновременно невероятна и безупречна. По этой причине фантазер от науки, достойный нескольких Нобелевских премий, удостоенный британской королевой рыцарского звания и бесчисленного количества научных наград, главную из них так и не получил.

Современную квантовую механику Пенроуз считает неполной и субъективной (это то, что некогда смущало Эйнштейна). Принимая в целом привычную картину Большого Взрыва, Роджер Пенроуз отказывается от инфляционной модели и предполагает, что на самой ранней стадии развитие Вселенной определялось еще неизвестными нам физическими законами, связанными с квантовой теорией гравитации. Он  считает, что многочисленные попытки построения такой теории не увенчались успехом именно потому, что задача была неправильно поставлена теоретически. Его аргументы связаны прежде всего с проблемой определения энтропии Вселенной, рассматриваемой в качестве единого объекта. Поскольку энтропия (очень упрощенно — степень неупорядоченности системы) возрастает со временем, Вселенная должна была возникнуть из весьма упорядоченного состояния с очень низкой энтропией. Вероятность случайного появления такого состояния исчезающе мала, вследствие чего Пенроуз предположил, что задача может быть решена только в рамках точной теории квантовой гравитации.

Для примера, иллюстрирующего стиль мышления Р.Пенроуза, приведу его рассуждение о Большом Взрыве. Всё началось с малюсенького шарика, в котором температура, плотность и энтропия (степень неупорядоченности системы) были максимальными. В рамках квантового подхода Линде Вселенная начала скачкообразно расширяться (отсюда и слово «инфляция»), упорядоченность возрастала, а плотность и температура падали. Иными словами, по квантовой теории, Вселенная должна была возникнуть из весьма упорядоченного состояния с очень низкой энтропией.

Но с точки зрения классической физики, согласно второму закону термодинамики — ее главному постулату, — энтропия в замкнутой системе неизбежно должна возрастать со временем. Это закон природы. Значит, мера хаоса во Вселенной сейчас неизмеримо больше, чем была в самом начале. Получается, что две главные современные физические теории описывают начальное состояние Вселенной двумя совершенно противоположными способами. Квантовая механика требует Большого взрыва и полного хаоса в начале, а классическая физика — первоначальной упорядоченности.
Отмечу, что Пенроуз был первым, кто сформулировал это противоречие как важнейшую проблему истории Вселенной и предложил потенциальный способ его разрешения. Для снятия противоречия необходимо свести воедино квантовую механику и общую теорию относительности, то есть разработать теорию квантовой гравитации, одновременно революционизировав боровскую версию квантовой механики.

Реальность, считает Р.Пенроуз, гораздо шире и глубже наших представлений о ней. Когда мы раскручиваем стрелу времени назад к Большому взрыву, то плотность и температура растут, фактически мы имеем дело с бесконечностью. А с нею работать очень трудно. Вопрос сводится к тому, как представить эту сингулярность математически. Нам известны два типа таких сингулярностей — Большой взрыв и черные дыры. То и другое есть вполне конкретная физическая реальность, но только принципиально не описываемая. В книге «Новый ум короля» Пенроуз предлагает подход к решению проблемы: искусственно устранить, сгладить (squash) бесконечность, как бы доопределить ее до конечности (по аналогии с парадоксальными картинами голландского графика Мориса Эшера). Фактически здесь мы имеем дело с новым типом геометрии, при которой бесконечность постепенно становится линейной границей и в таком виде может быть применена ко Вселенной. Это, вроде того, что вы ищете выход, а на самом деле обнаруживаете вход, говорит Пенроуз.

В момент Большого взрыва, утверждает Роджер Пенроуз, все фундаментальные взаимодействия находились в максимально хаотичном состоянии, и только гравитация была максимально упорядочена. Здесь нам важно еще понять, что такое часы! Есть две знаменитые формулы: эйнштейновская Е = mс2 и планковская Е = hn, означающая, что энергия выделяется порциями кратными этой n. Эйнштейн говорит, что масса — это энергия. Планк, что энергия — это частота. Получается, что масса дает вам частоту. То есть масса — это часы! Всё, что имеет массу, это часы! Но масса — это источник гравитации. Получается, что гравитация задает вам универсальную шкалу и пространства, и времени. Если бы ее не существовало, было бы совершенно все равно — вчера, завтра, большое, маленькое. Только гравитация дает нам точку отсчета и возможность что-то измерить. Так вот, если энтропия гравитации, самой упорядоченной силы Вселенной, равна нулю, то тогда у нас всё математически сойдется! У нас получится специфический Большой взрыв с очень незначительной энтропией. Настолько незначительной, что этот взрыв можно просто устранить, зачеркнуть (scratch). Обычно ученые останавливаются перед границей Вселенной и говорят: стоп, дальше идти нельзя, там нечего наблюдать. Большой взрыв, конечно, был, полагает Пенроуз, но только с него ничего во Вселенной не начиналось. Если взглянуть на ситуацию не изнутри, а снаружи, то система оказывается незамкнутой. Снаружи тоже что-то есть, и это что-то — не другие Вселенные, а все та же наша. Просто мы имеем дело с грандиозной цепью бесконечных вселенских перерождений.

КВАНТОВОЕ СОЗНАНИЕ

Проблема взаимосвязи психики с физикой имеет долгую историю и оформилась как психофизическая проблема в философии Декарта. К началу ХХ века сложилось представление о принципиальной сводимости психических процессов к лежащим в их основе физическим (физиологическим) процессам, то есть наш мозг подчиняется детерминированным, хотя и не до конца познанным, законам природы, то есть физиология есть физика и химия, работающие в мозгу человека.

С появлением квантовой теории неоднократно высказывались идеи о возможности влияния квантовой неопределенности на характер психики, в частности, свобода выбора каким-то образом может быть связана с принципом неопределенности Гейзенберга. Более того, уже копенгагенская трактовка квантовой механики включила сознание наблюдателя в процесс измерений: в мысленном эксперименте, известном под названием «кошки Шредингера», результат эксперимента полностью определяется наличием сознания экспериментатора. Выдающийся физик Юджин Вигнер пошел еще дальше, заключив, что сознание наблюдателя обладает способностью (выходящей за пределы современной физики) редуцировать суперпозицию состояний к одной из компонент суперпозиции, тем самым позволяя активно вмешиваться в ход физических процессов.

Физик-теоретик Генри Стапп заявил, что намерение человека влияет на процессы, происходящие в мозгу и предложил возможные механизмы воздействия сознания на материю: «Квантовая механика включает в себя определенный механизм, благодаря которому умственным усилием можно сдерживать силы, возникающие в механической сфере природы. Это позволяет ментальному намерению влиять на процессы, происходящие в мозгу».

Современная квантовая физика действительно свидетельствует о том, что если мы достаточно удерживаем одно и то же намерение путем многократной постановки перед Вселенной одного и того же вопроса, то мы начинаем изменять квантовую вероятность событий. Иными словами, благодаря наличию сознания, экспериментатор способен увеличивать вероятность того, что нужное нам событие произойдет. Вот что пишут об этом У.Арнтц, М.Висенте и Б.Чейс в своей книге «Кроличья нора или что мы знаем о себе и Вселенной?»: «Внутри сознания существует возможность выбора, или свободы воли, — благодаря усилителю квантовых событий, который устроен по принципу "матрешечной" вложенности. Реализуя свободу воли, мы можем удерживать в мозгу желаемый результат. Тогда импульсы нашего намерения (получить это результат) следуют друг за другом с максимально возможной частотой (это действие кажется непрерывным, но в действительности это последовательность моментов "сейчас"). Таким образом мы можем влиять на вероятности процессов квантового мира и увеличить вероятность того, что нужное нам событие произойдет».

Компьютеры, например, практически не могут доказывать математические теоремы, как это делают математики. И это вполне понятно с учетом знаменитой теоремы Гёделя, которая, в трактовке Пенроуза, означает, что математические выводы (и, вообще говоря, все процессы, связанные с мышлением и поведением) осуществляются «невычислимым» образом. Такое заключение представляется весьма плодотворным хотя бы потому, что интуитивно мы и сами чувствуем, что почти все наши акты «сознательного восприятия» нельзя свести к вычислимым операциям. Поэтому сознание работает совсем на иных принципах, чем обычные компьютеры, и Пенроуз усматривает много общего между принципиальными проблемами квантовой механики и процессов сознания. В частности, он считает, что здесь важную роль играют квантовая нелокальность и квантовая когерентность, присущие квантовым объектам, и что в мозгу должны быть структуры, соответствующие указанным физическим процессам.

Анализируя работу сознания, Роджер Пенроуз пришел к выводу, что сознание не исчерпывается алгоритмическими операциями, что в психике человека наличествует процесс, в принципе не моделируемый, т. е. невычислимый с точки зрения внешнего наблюдателя. Но поскольку процессы, описываемые классической физикой, вычислимы, Пенроуз сделал вывод, что для описания психики необходимо разработать новую, невычислимую физику и что эту новую физику следует искать на пути модификации современной квантовой механики.

Р.Пенроуз считает, что сознание человека работает на принципах, далеко отличающихся отстоящих от тех, что используются в обычных компьютерах. Психика имеет квантовую природу и, если проводить физические аналогии, работает как разрабатываемый ныне физиками квантовый компьютер, в основе которого лежит так называемая перепутанность состояний (проще говоря, способность квантовой частицы находиться сразу в двух местах или состояниях). За отсутствием теорий, объясняющих «физику» сознания, такой подход открывает перспективу понимания работы человеческого мозга и поиска материальных носителей его «квантовости». Физиолог Стюарт Хамеррофф после ознакомления с теорией Пенроуза предположил, что возможность мозговых квантовых вычислений могут обеспечивать маленькие волокнистые структуры, известные как микротрубочки, входящие в цитоскелет клеток.

Эти микротрубочки выстроены из протеина, известного как тубулин, причем установлено, что в определенных зонах этого белка электроны начинают «кружиться» очень близко друг к другу. Согласно предположениям С.Хамероффа, в этой точке электроны находятся в квантово запутанных состояниях, что приводит к тому, что действие, происходящее с одним из электронов, влияет на поведение другого. В этой ситуации возникновение и исчезновение квантовой когерентности связано с динамической нестабильностью микротрубочек, которые то полимеризуются, то деполимеризуются, причем делают это постоянно, никогда не пребывая в одном устойчивом состоянии.

При этом микротрубочки в одном нейроне связаны с аналогичными объектами в другом нейроне посредством так называемых щелевых контактов — соединений клеток при помощи белковых каналов, или коннексонов. Последние обеспечивают электрическое соединение двух клеток, а также перенос между ними небольших молекул.

Главная проблема такого подхода, многими физиками относимого к маргинальному, состоит в том, что ныне создаваемые квантовые компьютеры предельно чувствительны к шуму. Дабы свести шум к минимуму, квантовую систему необходимо изолировать и охладить почти до абсолютного нуля, дабы тепло не порождало колебания атомов и не генерировало тем самым шумы. Это делает картину квантовых вычислений в таком теплом и влажном месте, как человеческий мозг, малореалистичной и, по мнению многих физиков, нестабильной и столь кратковременной, что квантовый компьютер мозга не будет успевать проводить «вычисления».

С другой стороны, выясняется, что вышеуказанные микротрубочки встречаются не только в человеческом мозгу, но и в растениях. И хотя последние не обладают сознанием, сегодня мы знаем, что растения в прямом смысле слова во многом существуют за счет квантовомеханических процессов...

Главная тайна мироздания заключена вовсе не в истории с Большим взрывом, но в том, что мы способны об этой тайне думать. И вся физическая наличность бессильна перед проблемой разума.

Р.Пенроуз считает, что критерий верности/неверности всегда находится вне системы доказательств и содержит неустранимый элемент веры. То есть психику никогда не удастся формализовать и самое важное здесь заключается в том, что всякое понимание предшествует вычислению. В частности, само сознание как-то причастно к тому, как устроено мироздание.

Слово «Бог» для агностика Пенроуза предполагает какой-то разум. Это то самое сознание, которое предшествует пониманию, абсолютным истинам и абсолютной красоте. Потому-то так важно начинать с понимания целого и от него переходить к пониманию частностей — это античная традиция, напрочь забытая в Новое время. Мышление ученого, считает он, сродни созданию музыкального произведения. Вы все время должны быть сконцентрированы на том, что вне вас. И эта концентрация того же рода, что и при создании музыки, литературы, искусства вообще. Казалось бы, вы сочинитель, но, когда вы работаете, вы должны услышать то, что вне вас.

Пенроуз убежден, что физический мир в каком-то смысле является проявлением платоновского мира математических идеалов и именно поэтому описуем в рамках математического подхода. Главная заслуга Пенроуза состоит в том, что при всех возможных ошибках ему удалось создать не только некий манифест развития теоретической физики XXI века, но и представить связную картину того, как должна быть «устроена» совершенно новая физика, основанная на общей идее невычислимости некоторых операций и объективного восстановления волновых функций. Даже если работы по этой программе не приведут к быстрым успехам, ее основные идеи могут оказать плодотворное влияние на будущее развитие теоретической физики и математики.


Рецензии