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

Принципиальное устройство квантового компьютера предполагает использование квантовой разновидности логических элементов, у которых выходной сигнал является результатом «унитарной операции» над входным сигналом — операции типа U, — и вся работа компьютера состояла бы в выполнении операции U до самого конца вычислений, пока конечный «акт наблюдения» не приведет к выполнению операции R.

Согласно выводам Дойча квантовые компьютеры не предназначены для выполнения неалгоритмических операций (т. е. действий, выходящих за пределы возможностей машины Тьюринга), но способны в некоторых, очень специфических случаях, достигать более высокого быстродействия (в смысле теории сложности, см. Главу 4. «Сложность и вычислимость в физических объектах»), чем обычная машина Тьюринга. Для такой блестящей идеи эти выводы представляются довольно неутешительными, но будем помнить о том, что пока мы стоим у самых истоков.

Какое отношение все это может иметь к работе мозга, содержащего значительное число нейронов, чувствительных к единичным квантам? Провести аналогию здесь мешает в первую очередь то, что квантовые эффекты быстро теряются в «шуме» — мозг слишком «горяч», чтобы квантовая когерентность (поведение, которое удобно описывать как непрерывное действие U) сохранялась в нем сколько-нибудь продолжительное время. В моей терминологии это означало бы, что постоянно удовлетворяется одногравитонный критерий, так что операция R выполняется все время, изредка прерываясь операцией U.

Таким образом, пока у нас нет повода слишком надеяться на то, что квантовая механика откроет нам нечто новое о мозге. Возможно, мы все обречены быть просто компьютерами! Лично я в это не верю, но для окончательного выяснения вопроса нам необходимо идти дальше в наших исследованиях.

За пределами квантовой теории?

Я хочу вновь обратиться к вопросу, который проходит красной нитью через большую часть этой книги: действительно ли наши представления об окружающем мире, управляемом законами классической и квантовой физики в их современном понимании, адекватны для описания мозга и разума? «Обычное» квантовое описание нашего мозга определенно заходит в тупик, поскольку акт «наблюдения» считается важной составляющей правильной интерпретации общепринятой квантовой теории. Следует ли считать, что мозг «наблюдает сам себя» каждый раз при осознанном восприятии или возникновении мысли? Общепринятая теория не дает нам никаких указаний на то, каким образом квантовая механика могла бы принять это в расчет и, тем самым, как применить ее к мозгу в целом. Я попытался сформулировать вполне независимый от сознания критерий включения операции R («одногравитонный критерий»), и если нечто подобное удалось бы развить до полностью согласованной теории, то появилась бы возможность построения более ясного квантового описания мозга, чем существующее ныне.

Однако я считаю, что эти фундаментальные проблемы возникают не только при наших попытках описать деятельность мозга. Работа самих цифровых компьютеров существенно зависит от квантовых эффектов, пониманию которых, по-моему мнению, мешают трудности, внутренне присущие квантовой теории. Что это за «существенная» квантовая зависимость? Чтобы понять роль квантовой механики в цифровых вычислительных машинах, мы, прежде всего, должны выяснить, как можно заставить полностью классический объект вести себя подобно цифровому компьютеру. В главе 5 мы рассматривали классический «компьютер из биллиардных шаров» Фредкина — Тоффоли (см. Глава 5. «Вычислима ли жизнь в бильярдном мире?»); но, как мы видели, в этом теоретическом «устройстве» были использованы идеализации, позволяющие обойти проблему существенной нестабильности, внутренне присущей классическим системам. Эта проблема нестабильности, как указано выше (рис. 5.14), проявляется в эффективном увеличении фазового объема эволюционирующей системы, которое почти неизбежно приводит к непрерывной потере точности операций, выполняемых классическим устройством. Именно квантовая механика позволяет в конце концов остановить это снижение точности. В современных электронных компьютерах необходимо существование дискретных состояний (скажем, для записи цифр 0 и 1), всегда позволяющих однозначно установить, когда компьютер находится в одном, а когда в другом состоянии. Это выражает саму суть «цифровой» природы компьютерных операций. Эта дискретность, в конечном счете, достигается за счет квантовой механики. (Мы можем вспомнить здесь квантовую дискретность энергетических состояний, спектральных частот, значений спина и т. д., см. главу 6.) Даже старые механические вычислительные машины зависели от прочности различных своих частей, каковая, в свою очередь, непосредственно вытекает из дискретности квантовой теории[212].

Но квантовая дискретность не является только следствием операции U. Пожалуй, уравнение Шредингера в еще меньшей степени способно предотвратить нежелательное расплывание фазового объема и «потерю точности», чем уравнения классической физики! Согласно U, волновая функция изолированной частицы, изначально локализованная в пространстве, будет все больше и больше расплываться с течением времени (см. Глава 6. «Эволюционные процедуры U и R»). Если бы не действие R время от времени, более сложные системы тоже были бы подвержены такой беспричинной делокализации (вспомним кошку Шредингера). (Дискретные состояния атома, например, характеризуются определенными значениями энергии, импульса и полного момента импульса. Общее состояние, которое как раз «расплывается», представляет собой суперпозицию таких дискретных состояний. Именно процедура R на некотором этапе заставляет атом на самом деле «быть» в одном из этих дискретных состояний.)

Мне представляется, что ни классическая, ни квантовая механика — если только в последнюю не будут внесены дальнейшие фундаментальные изменения, которые превратили бы R в «реальный» процесс, — никогда не смогут объяснить механизм мышления. Возможно, что даже работа цифровых компьютеров требует более глубокого понимания взаимосвязи действий U и R. В случае с компьютерами, мы, по крайней мере, знаем, что цифровые вычисления являются алгоритмическими (по самой конструкции!), и мы не пытаемся «обуздать» предполагаемую неалгоритмичность физических законов. Но я утверждаю, что в случае с мозгом и разумом ситуация совершенно иная. Вполне допустимо, что в процессе (сознательного) мышления участвует некая существенная неалгоритмическая составляющая. В следующей главе я попытаюсь подробно изложить причины, заставляющие меня верить в существование этой составляющей, а также выскажу предположения о том, какими удивительными реальными физическими эффектами обусловлено «сознание», влияющее на работу мозга.

Глава 10

Где находится физика ума?

Для чего нужны умы?

В дискуссиях по проблеме «ум — тело» имеются два отдельных пункта, на которых обычно сосредоточивается внимание: «Каким образом материальный объект (мозг) может в действительности пробуждать сознание?»; и, наоборот: «Каким образом сознание усилием воли может реально воздействовать на (явно физически обусловленное) движение материальных объектов?» Это — пассивный и активный аспекты проблемы «ум — тело». Дело выглядит так, как если бы у нас в «уме» (или, вернее, в «сознании»), существовала некая нематериальная «вещь», которая, с одной стороны, активизируется материальным миром, а с другой — может оказывать на него воздействие. Я, однако, предпочитаю в своих предварительных замечаниях к этой последней главе обсудить до некоторой степени иной и, возможно, более научный вопрос, который относится к обеим проблемам, как пассивной, так и активной, — в надежде, что наши попытки найти ответ на него смогут приблизить нас к более глубокому пониманию этих извечных фундаментальных загадок философии. Мой вопрос звучит так: «Какое преимущество естественного отбора дает сознание тем, кто действительно им обладает?»