Физика сознания

1 Предисловие

На этом я завершаю свои размышления, которые можно условно объединить под названием “Физика и сознание”. В них я старался четко разделять хорошо известные, многократно проверенные факты с одной стороны, и свои предположения и размышления на их основе с другой. Многие, наверное, обратили внимание, что очень часто я как бы останавливаюсь в развитии мысли, отчего возникает ощущение недосказанности и незавершенности. Делаю это намеренно и вынуждено. К сожалению, я не обладаю необходимыми знаниями и возможностями, чтобы раскрыть эту тему в полном объеме до научной ясности. Тем более, что очень многие явления еще не получили научное объяснение. Моя цель -- обратить внимание на некоторые недостаточно исследованные модели и предложить новые подходы к изучению сознания. Этот текст, как и другие тексты на эту тему -- мой взгляд на проблему, а не ее решение.
Я старательно избегаю мистику и опираюсь только на хорошо подтвержденные факты. Считаю, что сознание формируется субъективно, но в полном соответствии с законами природы, и должно быть предметом научных исследований.

2 Классический и квантовый мир

Все в этом мире, включая меня и вас, мои читатели, состоит из квантовых частиц (атомы, электроны и пр.)  и является квантовыми системами. Все, происходящее в этих системах, естественно, подчиняется законам квантовой физики и может быть описано уравнениями квантовой механики. Тут я бы хотел заметить, что наш мозг не является исключением -- он тоже является частью квантовой системы и состоит из таких же элементарных частиц, как и наша вселенная. Кстати, свидетельства, полученные биологами, показывают, что некоторые процессы, связанные с работой мозга, осуществляются на квантовом уровне.

По какой-то причине, мы лишены возможности воспринимать квантовый мир непосредственно. Каким-то образом наше сознание формирует упрощенную, классическую картину мира, которая является далеко не полным отражением квантового мира. Это подвергает огромному испытанию само понятие Реальность. 

Поясню на примере. Мы заходим в комнату, где у дивана стоит стол, покрытый скатертью. На столе лежит яблоко. Является ли увиденное реальностью? Скорее всего, да. Чтобы убедиться в этом, нужно сесть на диван, постучать по столу, и взять в руки яблоко, вытерев его краем скатерти. Но так ли это на самом деле?

Постараемся проникнуть в структуру наблюдаемых предметов как можно глубже. Сначала все просто. У дивана есть каркас, пружины и обшивка. По мере углубления выясняется, что стол изготовлен из сосны и покрыт лаком. Подключаем химический анализ и убеждаемся в молекулярном составе древесины. В большинстве случаев этого достаточно. На этом этапе мы получаем классическую модель реального мира. Но по мере углубления в структуру материала мы перейдем в мир атомных и субатомных частиц, в котором действуют довольно странные правила. И стол, и скатерть, и яблоко состоят из ограниченного набора атомов. Остается загадкой, каким образом и по какой модели наши органы чувств выделяют в пространстве (тоже заполненном атомами)отдельные предметы -- стол, скатерть, яблоко. Причем разные люди делают это примерно одинаково.

Зрение имеет дело с регистрацией фотонов света довольно узкой части спектра. Наши глаза обнаруживают потоки таких фотонов, излучаемых или отраженных квантовыми системами. Затем мозг обрабатывает полученные данные и строит для нас картину, состоящую из поверхностей макрообъектов различного цвета и освещенности. Алгоритм такой обработки не известен. Возможно, он был выработан в процессе эволюции, и заложен в нашем мозгу от рождения. Более того, нам не дано видеть мир непосредственно за пределами этого спектра без использования специальных приборов.
Мы неспособны видеть атомные частицы, например электроны, так же, как мы не видим фотоны  от инфракрасного до ультрафиолетового и рентгеновского диапазона, выходящие за рамки видимого спектра. В подавляющем числе случаев наши предположения касательно квантового мира основаны на эффектах, полученных на макроскопическом уровне: например, мы ощущаем тепло от прохождения электрического тока, то есть от движения электронов, видим свечение кристаллов при их взаимодействии с ядерными частицами (эффект люминесценции), и пр.

Что же заставляет нас верить в существование квантовых объектов? Конечно, атом не выглядит так, как его изображают в учебниках средней школы. Для нас главное то, что атомы ведут себя в полном соответствии с тем, чего мы от них ожидаем. Например, атомные реакторы  вырабатывают энергию. При этом делятся ядра урана, осколки деления нагревают воду, но как это происходит, увидеть мы не можем.

Классическая физика при описании поведения макрообъектов может игнорировать особенности квантового мира из-за их малого значения. Но по мере углубления в природу макрообъектов мы должны учитывать то, что в квантовых системах (к каковым следует отнести и мозг) существует много явлений, которые трудно осознать с позиций классических представлений.

Как и в предыдущих статьях на эту тему, я не буду касаться чисто физических аспектов, которые хорошо описаны в многочисленных трудах по проблемам квантовой физики. В настоящее время эта дисциплина отстроена почти полностью. Ее законы и принципы подтверждены в многочисленных экспериментах и практической деятельности. Но одновременно они остаются мало понятными и плохо укладываются в традиционные представления классического сознания.

Можно допустить, что наше сознание определяется в результате процессов, которые не могут быть поняты в рамках традиционного подхода, используя принципы и понятия классического мышления.
В качестве иллюстрации рассмотрим такие странности квантового мира, как принцип неопределенности и эффект наблюдателя (эффект измерения).

В повседневной жизни, на протяжении всего процесса эволюции человека, мы имеем дело с макроскопическими объектами, например, яблоко, или стол, на котором оно лежит. Наше сознание сформировалось на основе опыта, полученного в классическом мире, в котором применимы законы классической физики. Это вполне оправданно, поскольку наш язык, система понятий и способ мышления адекватны классическому миру. Мы привыкли к тому, что живем (действуем, наблюдаем, чувствуем, мыслим) в классическом мире, созданным нашим сознанием по определенным правилам.

Для проникновения в микромир, где действуют законы квантовой физики, недостаточно наших органов чувств, нужны специальные приборы и оборудование. По мере углубления в структуру макрообъектов, мы быстро убеждаемся, что наши традиционные понятия не очень подходят для описания явлений, наблюдаемых в квантовом мире. 
Впервые человек соприкоснулся с квантовым миром всего 200 лет назад. Это слишком малый срок, чтобы наше сознание адаптировалось к новой реальности. И тут возникает вопрос, насколько традиционные подходы применимы к вопросам сознания с точки зрения квантовой физики. Создается ощущение, что наше сознание не способно адекватно представлять действительную картину мира, и мы имеем дело с реальностью, которая содержит массу упрощений.

Каждый из живущих получает представление о реальности, основанное на действительности. Алгоритм формирования реальности одинаков для всех здоровых живых существ. (Исключение составляют больные). Это обеспечивает возможность взаимодействия и взаимопонимания. При этом каждый создает свою картину реального мира, поскольку каждая личность имеет разный опыт и разную историю взаимодействия с миром. Это обстоятельство лежит в основе многих конфликтов.

Остается без ответа важный вопрос: способны ли мы понять работу мозга на квантовом уровне, если наше сознание ограничено понятиями классического мира.

(Понятия Действительность** и Реальность* введены здесь условно только с целью изложения этой статьи по причине отсутствия других более подходящих терминов. Имеется в виду, что с помощью измерений в экспериментах, мы как бы перетаскиваем Действительность из квантового мира в мир классический, создавая -- Реальность)

Между тем, квантовый мир ведет себя порой очень странно. Например, электроны проявляют себя то как волны, то как частицы в зависимости от условий эксперимента, которые мы можем менять по своему усмотрению. В последнее время все чаще ведущие физики высказывают мнение, что в квантовой реальности вообще нет ни волн, ни частиц. Согласно этому мнению, в основе нашего мира лежит квантовое поле, которое проявляет себя или как частицы, или как волны при разных условиях наблюдения. Это значит, сами понятия  "частица" и  "волна " -- это термины из классической физики, которые вынужденно используются для интерпретации непонятных нам проявлений квантового мира. Это свидетельствует об ограниченности классического сознания при глубоком рассмотрении природы вещей.

Некоторые явления вообще не имеют аналогов в классическом мире, и для их описания используют специальную терминологию. Эта терминология не совсем адекватно описывает квантовые явления, а только обозначает их. Например, некоторым ядерным частицам приписывается такое свойство как “спин” -- вращение. Этот термин обозначает свойство, которое аналогично импульсу и направлению вращения макроскопических тел. Но это не значит, что электроны вращаются, как юла. Физики были вынуждены приписать это свойство ядерным частицам, чтобы сделать понятным их поведение в экспериментах.

Существует целый ряд странных особенностей, которые проявляются при попытках проникнуть в квантовый мир. К ним относятся такие явления, как принцип неопределенности, квантовая связанность, эффект наблюдателя и вероятностный характер измерений.

Иногда забывают, что все эти странности -- это проявление законов, управляющих Действительностью, скрытой от нашего сознания. Она присутствует в нас и вокруг нас постоянно. И не только где-то в научных лабораториях, а непосредственно в том мире, в котором мы живем, включая нас самих. Вся вселенная подчиняется законам квантовой физики. И ни человек, ни его мозг не являются исключением.

Да, для наблюдения квантовых эффектов требуется специальное оборудование. Но это совсем не означает, что законы квантовой физики перестают действовать в отсутствие наблюдения или при выключенных приборах. Именно благодаря точности и воспроизводимости физических законов мы можем с определенной долей вероятности предсказать поведение квантовой системы в любой момент времени и определить, каким образом квантовый мир проявит себя в классическом мире. Важно только не забывать, что различные состояния носят принципиально вероятностный характер. Например, электрон может с хорошо предсказуемой вероятностью обнаружить себя в любом месте, даже там, где по законам классической физики он находиться не должен (см. например туннельный эффект).

Все это означает, что “истинное” состояние квантовой системы “скрыто” от нас, а попытка его измерить обнаруживает только одно состояние из множества возможных.
Возникает вопрос: какой мир следует считать “реальным” -- классический, который подчиняется законам классической физики и который непосредственно доступен нашим органам чувств, или квантовый, о котором мы можем судить опосредованно только по его эффектам?

Многие считают, что наблюдаемый классический мир, то, что мы видим вокруг себя, является моделью, виртуальным отражением реальности, созданным нашим квантовым мозгом используя доступную ему информацию от органов чувств, на основе практической деятельности по правилам (алгоритмам), выработанным в процессе эволюции. Во многих случаях обыденной жизни эту модель можно считать адекватным отражением квантового мира.

Попробую это объяснить на таком примере. Для нас красный цвет -- это просто красный цвет, а не излучение с определенной волной (780 нм) и не фотоны с определенной энергией (1,59 эв). Наши глаза регистрируют свет по законам квантовой физики, и интерпретируют полученную информацию в соответствии с классической моделью мира. Мы смотрим на диван и видим отраженный им свет. Цвет дивана, так же как его форма, текстура и рисунок обивки, возникает в нашем сознании в результате работы мозга.

Это уже некоторое упрощение. При плохом освещении диван изменит свой цвет в нашем сознании, хотя длина волны света останется прежней. На этом основано множество оптических иллюзий. И тем не менее, мы успешно справляемся с задачами повседневной жизни, имея дело с виртуальной картиной мира, созданной нашим сознанием.

Однако по мере углубления в исследования мозга и сознания становится понятным, что квантовая физика открывает новые возможности для объяснения таких явлений нашего сознания как эмоции, чувства, интуиция и творчество -- всего того, что, казалось, выходит за рамки физики и науки вообще.

Каким образом в нашем сознании квантовые объекты преобразуются в макрообъекты классического мира, которые мы видим и ощущаем, до сих пор остается загадкой. Возможно, наш мир выглядел бы совсем иначе, если бы мы видели инфракрасную или рентгеновскую часть спектра. Можно только вообразить, что было бы с нашим сознанием, если бы мы “видели” и “чувствовали” магнитное поле.

Итак, все мы, а не только физики экспериментаторы, существуем в квантовом мире, и все процессы, которые происходят в нашем теле, включая наш мозг, подчиняются законам квантовой физики.

Попробуем это отнести к наблюдению за работой мозга, который, как и все в нашем мире, является квантовой системой.


3 Эффект наблюдателя

Мы не состоянии  непосредственно наблюдать процессы, происходящие в мозгу на квантовом уровне, и нам неизвестны алгоритмы, по которым это происходит. Нам доступны только проявления этих процессов, доступные классическому сознанию. Эту функцию выполняет сознание, основанное на классической логике.
Существует еще одно важное обстоятельство, которое трудно осознать в рамках традиционного мышления, и которое плохо вписывается в классическое представление о нашем мире, но которое крайне важно для изучения связи между мозгом и сознанием. А именно:  любое вмешательство в квантовый мир изменяет его состояние, причем необратимо. Невозможно провести измерение, например, определить положение электрона, и после этого вернуть его и весь квантовый мир в состояние, в котором они находились до измерения. Если мы изучаем поведение пучка электронов, то в ходе измерений неизбежно изменяем их состояние, причем необратимым образом. Более того, мы можем только предположительно судить о “первоначальном” состоянии, в котором существовал мир до проведения измерения. То есть в процессе эксперимента на уровне квантовых объектов мы фиксируем только ситуацию в момент измерения. Нам не дано увидеть ни того, что было до измерения, ни после.

В классическом мире все иначе. Допустим, на столе лежит яблоко. Мы можем взять его в руки, чтобы убедиться, что это действительно яблоко, а потом вернуть его на место и при этом считать, что в мире ничего не изменилось.

В нашей обыденной жизни мы привыкли считать, что наш разум можно рассматривать и изучать в отрыве (независимо) от “остального” мира. В действительности, все изменения в сознании индивида означают изменение  во всей вселенной как замкнутой системы.

Все останется как прежде? -- Нет. В нашем сознании многое  изменилось -- мы узнали цвет, размеры, форму яблока, ощутили его текстуру, почувствовали запах. Каким-то образом эта информация будет обработана и записана в нашем мозгу в результате очень сложных процессов на квантовом уровне. Одновременно будет дан толчок таким чувствам как голод, эстетическим чувствам, и будет достигнуто определенное эмоциональное состояние. Произойдет целый каскад процессов, которые наш мозг выполнит за мгновение и перейдет в новое состояние.

При этом мы не забываем, что мозг человека является частью вселенной, и происходящие в нем процессы, по крайней мере наиболее фундаментальные, подчиняются законам квантовой физики. Это может означать, что все, происходящее в нашем сознании, необратимо меняет  состояние мира как квантовой системы. Из этого следует, что мир меняется не только в результате действий и поступков, но и под влиянием наших чувств, слов и даже мыслей. Временные и пространственные характеристики этих изменений распространяются на весь мир, что может объяснить такие явления, как ощущение несчастий с близкими людьми или передачу мысли на расстоянии.
В плане изучения связи между сознанием и процессами в мозге эффект наблюдателя означает влияние самого процесса исследования на состояние мозга. То, что мы наблюдаем при изучении мозга, это результат измерения, который носит вероятностный характер, оставляя вопрос о  “чистом” состоянии сознания открытым. Аналогично тому, как мы не можем непосредственно наблюдать квантовые частицы, скорее всего нам будут недоступны явления и процессы, происходящие в мозгу на квантовом уровне. Возможно, это ограничит или затруднит наши работы по созданию искусственного интеллекта или сделает его вообще невозможным.

Реальность и сознание -- дополнение

Определение реальности кажется простым — это мир, который мы видим, осязаем и переживаем, в отличие от наших творений воображения. Однако за этой кажущейся простотой скрывается глубокая пропасть в нашем сознании. Как формируется наше мировосприятие и почему одна и та же реальность приводит к противоречиям и конфликтам между людьми?

Чтобы описать эту сложную ситуацию, я использую два близких по смыслу но разных понятия: Реальность и Действительность. Хотя эти понятия часто используются взаимозаменяемо, мы определим и ограничим их использование следующим образом:

*Реальность: Наши ежедневные взаимодействия с этим миром и восприятие результатов формируют нашу реальность. Однако эта реальность податлива, под влиянием множества факторов приводит к расхождению с объективной истиной.

**Действительность: Действительность представляет собой чистое состояние существования вселенной, безразличное к нашим интерпретациям. Она воплощает в себе то, что существует, независимо от человеческого наблюдения или сознания.

Расхождение между этими двумя понятиями выходит за рамки простых различий в ощущениях или интерпретациях. На протяжении поколений Реальность напоминала классический ньютоновский мир, казавшийся понятным и предсказуемым. Яблоко представляло собой сферу с массой, подчиняющуюся силе гравитации.

Затем пришло открытие об атомах и молекулах, разрушившее наши традиционные взгляды. Более века мы верим, что наш мир построен на субатомных частицах, невидимых невооруженным глазом. Эти неуловимые сущности составляют нас и наше сознание. Тем не менее, остается загадка: как наше осознание вселенной и наша самооценка возникают из замысловатого танца этих частиц? Сложная связь между нашим пониманием реальности и составом элементов Вселенной остается загадкой.

Это больше, чем просто пробел в знаниях; более глубокое подводное течение в игре. Мы ограничены нашим знакомством с Реальным миром, пытаемся понять работу Действительности. Глубокая запутанность определяет это несоответствие, сложность за пределами нашего текущего понимания.

В стремлении преодолеть разрыв между Реальностью и Действительностью мы отправляемся в царство, где сходятся наука, философия и сознание. Хотя мы, возможно, еще не владеем всеми ответами, это исследование манит нас проникнуть в запутанную паутину, которая сплетает наше восприятие мира и гобелен самого существования.