Квантовая механика и мозг: разбор самой неоднозначной теории сознания

Квантовая механика и мозг: разбор самой неоднозначной теории сознания

Изучая многочисленные концепции сознания, вы рано или поздно наткнетесь на теорию выдающегося физика из Оксфордского университета Роджера Пенроуза, согласно которой человеческий разум имеет квантовую природу. Об основных положениях этой смелой (или безумной?) гипотезы на сайте журнала Nautilus рассказывает научный журналист Стив Полсон.

Никто точно не знает, как относиться к этой теории, разработанной Пенроузом совместно с анестезиологом Стюартом Хамероффом, но большинство специалистов рассуждают примерно так: теория почти наверняка ошибочна, но поскольку Пенроуз — гений («Один из очень немногих людей, которых я без оговорок могу назвать гениальными», — сказал физик Ли Смолин), с выводами лучше не спешить.

Пенроуз несколько десятилетий назад прославился тем, что:

• внес вклад в общую теорию относительности;
• совместно со Стивеном Хокингом развивал теорию черных дыри гравитационной сингулярности, обладающей бесконечной плотностью точкой в пространстве-времени, из которой, возможно, образовалась Вселенная;
• разработал теорию твисторов, предлагающую новый взгляд на связь квантовой механики с пространством-временем;
• создал асимметричную «мозаику Пенроуза», которая положила начало новым направлениям в математике и кристаллографии.

Круг интересов Пенроуза невероятно широк. В этом можно убедиться, прочитав его книгу «Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной». Это объемный, 500-страничный труд, в котором Пенроуз критикует некоторые из самых популярных теорий в физике — от дополнительных измерений в теории струн до инфляции Вселенной на ранней стадии Большого взрыва.

Пенроуз в целом не возражает против репутации «диссидента», но не согласен с такой оценкой своей работы в области физики. Его критики придерживаются иного мнения и не понимают, почему он продолжает заниматься теорией, не подкрепленной достаточными доказательствами.

Прогноз погоды

Квантовые компьютеры могут быть использованы для составления карт чрезвычайно сложных погодных условий. В отличие от нынешних погодных систем, они способны давать прогнозы для небольших, более специфических регионов, помогая фермерам лучше подготовиться к изменениям погоды и помогая авиакомпаниям свести к минимуму перебои в работе.

IBM инвестирует значительные средства в системы прогнозирования погоды. Они сотрудничают с компанией The Weather Company, Национальным центром атмосферных исследований и Корпорацией атмосферных исследований Университета США с целью создания более совершенной модели, которая могла бы оценивать грозы на местном уровне.

В 2019 году IBM в сотрудничестве с The Weather Company представила Глобальную систему прогнозирования атмосферы с высоким разрешением (GRAF), в которой суперкомпьютеры IBM используются для обработки данных с миллионов датчиков по всему миру.

Когда квантовые вычисления станут возможными, системы, подобные GRAF, смогут анализировать миллиарды данных каждый час и прогнозировать микрометрологические события, такие как формирование отдельных облаков или ветровых вихрей.

Корпоративная Академия Росатома

Корпоративная Академия Росатома — крупная отраслевая образовательная организация, надежный партнер Росатома по реализации проектов в поддержку бизнеса. Сегодня в портфеле Академии 320 программ обучения, которые нацелены на решение конкретных отраслевых задач. Помимо обучения руководителей и специалистов отрасли, Академия реализует проекты, направленные на развитие корпоративной культуры, формирование лидерского потенциала сотрудников, привлечение талантливых выпускников в отрасль, а также готовит новое поколение рабочих и инженеров по стандартам WorldSkills.

• О гиде
  • 01 Квантовые вычисления: обмануть декогеренцию
  • 02 Закон Мура для сверхпроводников
  • 03 Квантовые алгоритмы
  • 04 Квантовый объем
  • 05 Всемогущий кубит
  • 06 Кубит: сердце квантового компьютера
  • 07 Сверхпроводящие кубиты
  • 08 Как работает квантовый компьютер?
  • 09 Квантовый симулятор
  • 10 Ловушка для газа атомов

  Поделиться с друзьями

  Неоднозначность квантового мира

  Квантовый компьютер, скорее всего, ничего не будет считать в привычном для нас смысле этого слова. Возьмем классический пример с коммивояжером, которому нужно составить оптимальный маршрут посещения какого-то количества городов. Координаты всех точек назначения записываются в кубиты — в качестве самых вероятных значений. Нарисованная квантовая карта в суперпозиции уже содержит все маршруты, по которым можно эти города объехать. Система сама выберет наиболее выгодный маршрут.

  Программисту классического компьютера можно задать вопрос о разных частях его алгоритма: «Почему ты здесь так считал?» У квантового программиста достаточно спросить: «Правильно ли ты смоделировал проблему?» Если правильно — ответ получается не по каким-то расчетам, а просто в силу действия законов природы. В этом смысле большинство квантовых процессоров похожи не на компьютеры, а на старинную логарифмическую линейку, которая ничего не считала, а просто сразу давала ответ, когда на ней перемещали бегунок.

  Внимательный читатель может воскликнуть: «Позвольте! Логарифмическая линейка, как и любое аналоговое устройство, в большинстве случаев дает приблизительный ответ — она просто оценивает результат! Как же вы хотите приблизительно раскладывать огромные числа на простые множители, если здесь важна каждая единичка?» И это, действительно, огромная проблема квантовых вычислений.

  Надежный ответ квантовая модель дает не за один запуск системы, а лишь когда мы прогоняем через нее одну и ту же задачу тысячи раз. «Мы должны повторить квантовые вычисления много миллионов раз, набрать какую-то статистику и с этой статистикой уже работать, — рассказывает Рубцов. — Природа запрещает полностью охарактеризовать квантовое состояние один раз, если у вас есть только классические измерители».

  То есть и оптимальный маршрут коммивояжера, и правильное разложение на множители получатся только после того, как мы запустим квантовый компьютер очень много раз, а полученные данные обработаем средствами математической статистики на классическом компьютере. Интересно, что такими же методами получают значимые результаты на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН! И в этом нет ничего удивительного: и там, и здесь люди имеют дело с неоднозначным квантовым миром.

  В последнее время стали появляться сообщения о достижении «квантового превосходства». Это значит, что какого-то результата квантовый компьютер действительно достиг существенно быстрее, чем обычный. В компании Google в октябре 2019 заявили, что их 53-кубитный процессор выполнил за 200 секунд задачу, которую самые современные суперкомпьютеры решали бы 10 000 лет. Потом, правда, выяснилось, что это была искусственно придуманная задача, состоящая в быстром переборе последовательностей случайных чисел. А мы уже поняли, что все случайное ближе всего к квантовому миру с его неоднозначностями.

  Благодать в невежестве

  С практической точки зрения её природа не важна. Копенгагенская интерпретация квантовой теории, созданная в 1920-х годах Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, использует волновую функцию просто как инструмент для предсказания результатов наблюдений, позволяя не думать о том, что происходит при этом в реальности. «Нельзя винить физиков в такой модели поведения, „заткнись и считай“, поскольку она привела к значительным прорывам в ядерной и атомной физике, физике твёрдого тела и физике элементарных частиц»,- говорит Джин Брикмонт, специалист по статистической физике Католического университета в Бельгии. «Поэтому люди советуют не волноваться относительно фундаментальных вопросов».

  Но некоторые всё равно волнуются. К 1930-м годам Эйнштейн отверг копенгагенскую интерпретацию, не в последнюю очередь потому, что она позволяла двум частицам спутывать свои волновые функции, что приводило к ситуации, в которой измерения одной из них могли мгновенно дать состояние другой, даже если они при этом разделены огромными расстояниями. Чтобы не смиряться с этим «пугающим взаимодействием на расстоянии», Эйнштейн предпочитал верить, что волновые функции частиц были неполны. Он говорил, что возможно, у частиц есть некие скрытые переменные, определяющие результат измерения, которые не были замечены квантовой теорией.

  Эксперименты с тех пор продемонстрировали работоспособность пугающего взаимодействия на расстоянии, что отвергает концепцию скрытых переменных. но это не остановило остальных физиков интерпретировать их по-своему. Эти интерпретации делятся на два лагеря. Одни соглашаются с Эйнштейном в том, что волновая функция отражает наше невежество. Это то, что философы зовут пси-эпистемическими моделями. А другие рассматривают волновую функцию как реальную вещь – пси-онтические модели.

  Чтобы понять разницу, представим себе мысленный эксперимент Шрёдингера, описанный им в 1935 году в письме Эйнштейну. Кот находится в стальной коробке. Коробка содержит образец радиоактивного материала, у которого есть 50% шанс испустить продукт распада за один час, и аппарат, отравляющий кота в случае, если этот продукт будет обнаружен. Поскольку радиоактивный распад – событие квантового уровня, пишет Шрёдингер, правила квантовой теории говорят, что в конце часа волновая функция внутренностей коробки должна быть смесью из мёртвого и живого кота.

  «Грубо говоря,- мягко выражается Федриччи,- в пси-эпистемической модели кот в коробке либо жив, либо мёртв, и мы просто не знаем этого из-за того, что коробка закрыта». А в большинстве пси-онтических моделей существует согласие с копенгагенской интерпретацией: пока наблюдатель не откроет коробку, кот одновременно будет и жив и мёртв.

  Но тут спор заходит в тупик. Какая из интерпретаций истинна? На этот вопрос сложно ответить экспериментально, поскольку разница между моделями очень тонка. Они по сути должны предсказать то же квантовое явление, что и очень успешная копенгагенская интерпретация. Эндрю Уайт, физик из Квинслендского университета, говорит, что за его 20-летнюю карьеру в квантовых технологиях «эта задача была как огромная гладкая гора без уступов, к которой нельзя было подступиться».

  Всё поменялось в 2011 году, с опубликованием теоремы о квантовых измерениях, которая вроде бы устранила подход «волновая функция как невежество». Но по ближайшему рассмотрению оказалось, что эта теорема оставляет достаточно место для их манёвра. Тем не менее, она вдохновила физиков серьёзно задуматься о способах решения спора путём тестирования реальности волновой функции. Маруни уже разработал эксперимент, который в принципе работоспособен, и он с коллегами вскоре нашёл способ заставить его работать на практике. Эксперимент был проведён в прошлом году Федриччи, Уайтом и другими.

  Для понимания идеи теста представьте две колоды карт. В одной есть только красные, в другой – только тузы. «Вам дают карту и просят определить, из какой она колоды»,- говорит Мартин Рингбауэр, физик из того же университета. Если это красный туз, «случается пересечение, и вы не сможете сказать этого определённо». Но если вы знаете, сколько карт в каждой колоде, можно подсчитать, как часто будет возникать такая двусмысленная ситуация.

  Принцип неопределенности. Место или импульс, энергия или время

  Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность — это, можно сказать, один из принципов квантовой физики. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

  Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот

  Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности квантовой физики. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.

  Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще?

  «Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!» — всё не так! Взялись объяснять,а на самом деле только наврали. При столкновении могут получаться разные частицы и не обязательно три.

  Наблюдатель находится в другом масштабе физического пространства. Поэтому он ощущает огромные скорости и траектории частиц как некую единую сущность-они сливаются для него в нечто единое. «Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик». Следует признать, ничто во вселенной не имеет постоянных и точных характеристик! Но взаимодействие этих относительно локальных сгустков энергий,называемых человеком частицами, бесконечно более сложно и,в пределе,не может быть осознано человеком. Вселенная-это энергия-пространство,она едина-все процессы в ней взаимосвязаны. И выделение из вселенной для исследования какого-либо пространства, превращает это пространство в виртуальное, т.к. при этом обрывается бесконечное количество связей этого пространства со всей вселенной. «Опишите точно движение частицы»- никто никогда не сможет описать «точно» движение частицы.Все сформулированные человеком законы действую всегда только в соответствующих постулированных им виртуальных «пространствах» с введенным в них необходимыми параметрами и их свойствами.Нужно осознать бесконечные ограничения человека при поступательном познавании вселенной. Вселенная строго детерминирована ,но она всегда была и будет иррациональна-непознаваема для него.И у человека (на данном этапе развития) нет даже никаких идей,объясняющих энергетические процессы в этом и других физических пространствах микрокосмоса. И то,что «о частице нельзя сказать ничего определенного», еще раз подтверждает иррациональность энергетических процессов вселенной.Человек описывает процессы вселенной, используя термины: относительность, неопределенность, парадоксы,вероятности.. А наступление и существование всех событий,предсказанных любыми законами, поэтому всегда вероятностно.

  Почему квантовая физика такая сложная?

  Все мы любим фокусы. Особенно те, во время которых фокусник может заставить шары “прыгать” между перевернутыми чашками. В квантовых системах, где свойства объекта, включая его местоположение, могут варьироваться в зависимости от того, как вы за ним наблюдаете, такие подвиги должны быть возможны без ловкости рук. Дело в том, что согласно квантовой теории, элементарная частица обретает определенное состояние лишь в момент наблюдения. В это сложно поверить, но в итоге ученым удалось экспериментально доказать, используя один-единственный фотон, что он существует в трех местах одновременно. Но как такое возможно?

  Один из самых знаменитых квантовых экспериментов это двухщелевой эксперимент, который показал, что свет и материя могут вести себя как частица и волна одновременно.

  Необходимо отметить, что успехами квантовой механики – с помощью которой можно точно описать поведение атомов и элементарных частиц – интересовался Альберт Эйнштейн. Однако гениальный ученый выступал против этой теории и высмеивал понятие, которое лежит в ее основе – запутанность. В квантовой механике запутанность означает, что свойства одной частицы могут немедленно влиять на свойства другой, независимо от расстояния между ними.

  

  Квантовая запутанность – это явление, при котором квантовые состояния двух или больше объектов оказываются взаимозависимыми

  Впоследствии, серия тщательно разработанных экспериментов показала, что Эйнштейн ошибался: запутанность реальна и никакие другие теории не могут объяснить ее странные эффекты. И все же, несмотря на способность квантовой теории объяснять результаты экспериментальным путем, многие ученые признают, что квантовая физика настолько сложная, что познать ее едва ли удастся.

  Однако запутанность – не единственное явление, которое отделяет квантовую теорию от классической. По мнению некоторых физиков, есть еще один шокирующий факт о квантовой реальности, который часто упускают из виду и который добавляет “волшебства” этой области теоретической физики. Как пишет издание , В 1967 году Саймон Кочен и Эрнст Спекер математически доказали, что даже для одного квантового объекта, где запутанность невозможна, значения, которые вы получаете при измерении его свойств, зависят от ситуации, в которой этот объект находится. Таким образом, ценность свойства А зависит от того, решили ли вы измерить его с помощью свойства В или с помощью свойства С. Говоря простыми словами, не существует реальности, независимой от выбора измерения.

  Нагретый фуллерен

  

  Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах — крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

  Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

  Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

  Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

  

  Этот парадокс говорит о том, что законы квантовой механики в настоящее время являются неполными и со временем должны быть дополнены.

  Представим, что две частицы одновременно образовались после распада исходной частицы: согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс получившихся частиц должен быть равен импульсу исходной частицы. Следовательно, мы можем измерить импульс одной из образовавшихся частиц и по простой формуле рассчитать импульс второй частицы, образовавшейся одновременно с ней. Далее у нас появляется возможность измерить импульс второй частицы, который мы уже рассчитали, и таким образом получить для неё значения двух величин, измерить которые одновременно невозможно, согласно законам квантовой механики.

  Сможем ли мы в один прекрасный день подключить человеческий мозг к Интернету? Роуз Элевет разбирается с заявлением о первом онлайн-сообщении, отправленном от одного разума к другому. Интернет становится всё быстрее, и к нему можно подключить всё больше устройств. Отправить электронную почту, получить её, прочесть и ответить на письмо — всё это сегодня делается за считанные секунды. Ещё не так давно мы дожидались обычных писем днями или даже неделями, а сегодня часовое ожидание электронного письма кажется нам вечностью.… Читать далее…

  

  «Движущиеся камни», странные ноги жирафов, поющие песчаные дюны и другие потрясающие загадки природы, которые нам удалось разгадать за последние несколько лет. 1. Секрет «движущихся камней» в Долине Смерти С 1940-го года до недавнего времени Рейстрек-Плайя, высохшее озеро с ровным дном, находящееся в Долине Смерти в Калифорнии, было местом, где наблюдался феномен «движущихся камней». Над этой тайной ломало голову множество людей. Годами или даже десятилетиями, некая сила, казалось, двигала… Читать далее…

  

  Атакамская Большая Миллиметровая/субмиллиметровая Решётка (сокращённо ALMA) — это самый мощный в мире комплекс радиотелескопов, построенный на севере Чили. Плато Чахнантор, где расположен комплекс, находится на высоте 5 000 м — это выше большинства объектов в тропосфере. ALMA, что означает «душа», — это ещё и машина времени. Она заглядывает в прошлое, чтобы проверить существующие научные теории о том, как 13 млрд лет назад возникла Вселенная. Она толкает нас в будущее, потому что мы ищем новые… Читать далее…

  

  Наука появилась ради необходимости отвечать на вопросы людей. И вроде бы большая часть сложных явлений изучена вдоль и поперёк, а осталась «самая малость» — постичь природу тёмной материи, разобраться с проблемой квантовой гравитации, решить задачу размерности пространства-времени, понять, что такое тёмная энергия (и ещё несколько сотен подобных вопросов). Однако до сих пор остаются и более простые, казалось бы, явления, но которые учёные не в силах объяснить до конца. Что такое стекло? Нобелевский лауреат Уоррен Андерсон… Читать далее…

  

  Во время долгого разговора возникает непреодолимое желание зевнуть. Чем больше с ним борешься, тем сильнее хочется. В итоге удержаться невозможно. Психолог Роберт Провайн на своих лекциях часто это замечает, но не обижается: зевота, смех и отрыжка естественны. Провайн искал ответ на тысячелетнюю тайну: почему мы зеваем? Понятно, что от скуки или усталости, но что это даёт организму? Возможно, первым это заинтересовало древнегреческого врача Гиппократа 2500 лет назад. Он считал, что зевота помогает… Читать далее…