Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики - Пенроуз Роджер

Конечно, то, что мы подразумеваем здесь под «одной вещью», не совсем ясно. В следующей главе мы познакомимся с совершенно удивительными примерами «отдельных мыслей», появлявшихся в минуты вдохновения у Пуанкаре и Моцарта. Но нам вовсе не обязательно забираться так далеко, чтобы понять, что мысль человека в каждый конкретный момент времени может неявно быть очень сложной. Представьте себе, например, процесс обдумывания обеденного меню. Одна такая мысль может включать в себя такое количество разнообразной информации, что ее полное словесное описание было бы очень долгим.

«Единственность» осознанного восприятия представляется мне идущей вразрез с концепцией параллельного компьютера. С другой стороны, эта концепция может оказаться более подходящей в качестве модели бессознательной деятельности мозга. Различные независимые действия (ходьба, застегивание пуговиц, дыхание и даже разговор) могут выполняться человеком одновременно и более менее автономно, причем он может не осознавать ни одно из них!

С другой стороны, мне кажется, что эта «единственностью» сознания может иметь что-то общее с квантовым параллелизмом. Вспомним, что, согласно квантовой теории, на квантовом уровне различные альтернативы могут сосуществовать в линейной суперпозиции! Отсюда следует, что одиночное квантовое состояние могло бы, в принципе, состоять из большого числа различных событий, происходящих одновременно. Именно это и подразумевается под квантовым параллелизмом. Мы скоро рассмотрим теоретическую концепцию «квантового компьютера», в котором, в принципе, квантовый параллелизм мог бы быть использован для выполнения большого числа одновременных операций. Если «состояние ума», соответствующее рассудочной деятельности, имеет какое-то сходство с квантовым состоянием, то некая форма «единственности», или глобальности, мысли соответствует ему в большей степени, чем в случае обычного параллельного компьютера. У этой идеи есть несколько привлекательных аспектов, к которым я вернусь в следующей главе. Но прежде, чем рассматривать эту идею всерьез, мы должны ответить на вопрос, могут ли квантовые эффекты иметь какое-либо отношение к деятельности мозга.

Имеет ли квантовая механика отношение к работе мозга?

Все предыдущее обсуждение нервной деятельности проводилось целиком в рамках классических представлений, за исключением тех случаев, когда мы затрагивали физические явления, неявные причины которых отчасти обусловлены квантово-механическими эффектами (например, ионы, несущие единичные электрические заряды; натриевые и калиевые каналы; определенные химические потенциалы, определяющие триггерный характер генерации нервного импульса; химия нейромедиаторов). Но нет ли таких ключевых процессов в мозге, которые бы непосредственно определялись квантово-механическими эффектами? Для того чтобы рассуждения, описанные в конце предыдущей главы, имели какой-то смысл, такие процессы, по-видимому, должны существовать.

В действительности, можно указать, по крайней мере, одно место, где чисто квантовые явления имеют принципиальное значение для нервной деятельности, — это сетчатая оболочка глаза. (Вспомним, что сетчатка фактически входит в состав мозга!) Эксперименты с жабами показали, что в подходящих условиях адаптированная к темноте сетчатка вырабатывает макроскопический нервный импульс при попадании на нее единичного фотона (Бэйлор и др. [1979]). То же, как выясняется, справедливо и для человека (Хехт и др. [1941]), хотя в этом случае существует дополнительный механизм, который подавляет подобные слабые сигналы, тем самым очищая воспринимаемое изображение от лишнего визуального «шума». Необходимо суммарное воздействие примерно семи фотонов, чтобы адаптировавшийся к темноте испытуемый мог его ощутить. Тем не менее, в нашей сетчатке, по-видимому, все-таки есть клетки, чувствительные к попаданию только одного фотона.

Поскольку в теле человека существуют нейроны, способные срабатывать под воздействием единичного квантового события, то вполне обоснован вопрос о наличии таких клеток где-нибудь в основных отделах мозга. Насколько мне известно, это предположение не подтвердилось. У клеток всех изученных типов есть определенный порог срабатывания и требуется очень большое число квантов, чтобы перевести клетку в возбужденное состояние. Однако можно было бы допустить, что где-то глубоко внутри мозга должны быть клетки, чувствительные к одиночным квантам. Если это окажется верным, то квантовая механика должна играть существенную роль в деятельности мозга.

Но даже при таком положении вещей роль квантовой механики оказалась бы чисто номинальной, поскольку квант используется просто как возбудитель сигнала. Никаких интерференционных эффектов, характерных для квантовых явлений, пока обнаружить не удалось. Похоже, что в лучшем случае все, что мы можем получить от квантовой механики, это неопределенность момента срабатывания нейрона. Трудно представить, как это может пригодится нам на практике.

Однако некоторые вопросы, имеющие к этому отношение, не так тривиальны. Для их рассмотрения обратимся вновь к сетчатой оболочке глаза. Предположим, что фотон попадает на сетчатку, предварительно отразившись от полупрозрачного зеркала. Состояние фотона тогда будет представлять собой сложную линейную суперпозицию состояний, когда он попадает в клетку сетчатки и когда он проходит мимо клетки и вместо этого, скажем, улетает через окно в космос (см. рис. 6.17) В тот момент, когда он мог бы попасть в клетку сетчатки, до тех пор, пока выполняется линейная процедура U (т. е детерминированная эволюция вектора состояния по уравнению Шредингера, см. Глава 6. «Эволюционные процедуры U и R»), мы получим сложную линейную суперпозицию наличия и отсутствия нервного сигнала. Когда это доходит до сознания наблюдателя, воспринимается только одна из этих двух альтернатив, и должна использоваться другая квантовая R-процедура (редукция вектора состояния, см. Глава 6. «Эволюционные процедуры U и R»). (Говоря так, я сознательно обхожу стороной теорию множественности миров, которая имеет множество своих собственных проблем!) В соответствии с рассуждениями, приведенными в конце предыдущей главы, нам следует задать вопрос, достаточное ли количество материи вовлекается в прохождение сигнала, чтобы удовлетворялся одногравитонный критерий (см. главу 8)? Хотя при преобразовании энергии фотона в энергию движения массы при выработке сигнала в сетчатке достигается действительно гигантское усиление, возможно, до 1020 раз, эта масса все же значительно меньше величины планковской массы mРl (примерно в 108 раз). Однако нервный сигнал создает регистрируемое изменяющееся электрическое поле в окружающей среде (тороидальное поле с осью, совпадающей с нервным волокном, по которому оно перемещается). Это поле может вносить в окружающую среду значительное возмушение, за счет чего одногравитонный критерий будет легко удовлетворен. Таким образом, в соответствии с изложенной мной точкой зрения, R-процедура могла бы выполняться задолго до того, как мы увидим или, может случиться, не увидим вспышку света. К тому же, для редукции вектора состояния наше сознание не требуется!

Квантовые компьютеры

Если мы все-таки предположим, что чувствительные к одиночным квантам нейроны играют важную роль где-то в глубине нашего мозга, то возникает вопрос, какие следствия это могло бы иметь. Для начала я изложу концепцию квантового компьютера, предложенную Дойчем (см. также главу 4 «Сложность и вычислимость в физических объектах»), а затем мы выясним, можно ли ее рассматривать как имеющую отношение к теме нашей дискуссии.

Как было указано выше, главная идея состоит в использовании квантового параллелизма, в соответствии с которым два совершенно различных процесса должны рассматриваться как происходящие одновременно в виде квантовой линейной суперпозиции, например, фотон одновременно отражается от полупрозрачного зеркала и проходит через него или один и тот же фотон проходит через каждую из двух щелей. В случае квантового компьютера этими двумя различными наложенными друг на друга процессами будут два различных вычисления. При этом предполагается, что нас интересуют результаты не обоих вычислений, а некий результат, основанный на частичной информации, полученной из суперпозиции этих процессов. Наконец, когда оба вычисления завершены, над этой парой процессов должно быть проведено соответствующее «наблюдение», позволяющее получить искомый ответ[211]. Таким образом, это устройство могло бы сэкономить время за счет выполнения двух вычислений одновременно! До сих пор не видно никакого значительного преимущества от использования такого подхода, поскольку было бы гораздо проще непосредственно использовать два классических компьютера параллельно (или один классический параллельный компьютер), чем один квантовый. Однако реальные преимущества квантового компьютера могли бы проявиться при необходимости выполнить очень большое, возможно, неограниченно большое, количество параллельных вычислений, когда нас интересуют не их результаты сами по себе, а только подходящая комбинация результатов всех вычислений.