Лауреат Нобелевской премии по физике обсуждает свободную волю, путешествия во времени и взаимосвязь между инновациями и научными открытиями.
Автор: Adolfo Plasencia
Современный научный ландшафт изобилует беседами и взаимодействиями между учеными и гуманистами. Передовые новые знания — это продукт сотрудничества, выходящего за рамки традиционных дисциплинарных границ; я полагаю, что они возникают в тех местах, где исследователи из разных слоев общества собираются вместе для решения конкретных проблем.
Это предпосылка, которая породила идею моей книги “Является ли Вселенная голограммой? Ученые отвечают на самые провокационные вопросы”, которая включает в себя серию взаимосвязанных диалогов с ведущими учеными, которых просят поразмыслить над ключевыми вопросами и концепциями физического мира, технологий и разума. Эти мыслители предлагают как конкретные наблюдения, так и более широкие комментарии об интеллектуальных традициях, которые лежат в основе этих вопросов; при этом они раскрывают богатый пласт взаимодействующих идей.
Когда несколько лет назад книга поступила в печать, у меня еще не было возможности встретиться с Фрэнком Вильчеком, физиком, лауреатом Нобелевской премии, чьими работами я давно восхищаюсь. Наш разговор, который состоялся в 2020 году во время его визита в город Валенсия, Испания, в качестве члена жюри престижной премии Rei Jaume I Awards, попал в недавно опубликованное испанское издание книги под названием “De neuronas a galaxias” (От нейронов к галактикам). Я так рад поделиться нашей дискуссией, переведенной и отредактированной для большей полноты, ниже.
Адольфо Пласенсия: Профессор Вильчек, давайте сразу перейдем к трудной, но, я думаю, увлекательной теме. В моем диалоге с физиком Игнасио Сираком, пионером в области квантовых вычислений, он сказал, что квантовая физика в некотором роде учитывает свободу воли. Это смелое заявление, и мне не терпелось узнать ваше мнение по этому поводу. Согласны ли вы с Cirac?
Фрэнк Вильчек: Я думаю, что этот вопрос можно понимать двояко. Поэтому позвольте мне ответить на каждый из них отдельно.
Первая интерпретация состоит в том, чтобы спросить, объясняет ли квантовая механика феномен свободы воли, или есть что-то еще, что необходимо учитывать в нашем описании мира, что не входит в рамки квантовой механики или что не входит в рамки физики, как мы ее понимаем. И ответ заключается в том, что на самом деле мы не знаем наверняка. Но, по-видимому, существует очень хорошая гипотеза, которую, я думаю, на самом деле принимают ученые, и она заключается в том, что феномены ментальной жизни, включая свободу воли, могут быть выведены из физического воплощения разума в материи. Итак, то, что мы называем “возникающими” явлениями, — это качественно иное поведение, которое может быть очень трудно увидеть в основных законах, но может возникнуть в больших системах со многими компонентами, имеющими богатую структуру. Так, например, когда нейробиологи изучают нервную систему, когда они изучают мозг, они принимают рабочую гипотезу о том, что мышление, память — все психические явления — имеют физическую основу, имеют физический коррелят.
Другой аспект заключается в том, что вы можете спросить себя, нужно ли, когда мы проводим физические эксперименты, добавлять что-то еще, что является ментальным. Должны ли мы вносить коррективы в то, что думают люди? Физики сейчас проводят очень изысканные, точные, деликатные эксперименты, в которых приходится вносить поправки на самые разные вещи. Вы должны вносить поправки в проезжающие мимо грузовики, вы должны вносить поправки в электрические и магнитные поля, вы должны очень точно контролировать температуру и так далее, но то, в чем люди никогда раньше не нуждались, — это вносить поправки, связанные с тем, что думают люди. Поэтому я думаю, что есть очень веские косвенные доказательства того, что мир, физический мир, не находится под влиянием отдельного ментального мира.
“Я считаю, что барьеры, с которыми сталкиваются физики, — это не принципиальные барьеры, а технические барьеры”.
Вторая интерпретация вопроса заключается в том, следует ли при формулировке квантовой механики привлекать наблюдателя как отдельный объект, обладающий свободной волей, который решает, что наблюдать. Квантовая механика обладает необычным механизмом, поскольку теория содержит уравнения, и для интерпретации уравнений необходимо сделать наблюдение. Я полагаю, что, в конечном счете, для того, чтобы понять феномен свободной воли на физической основе и, таким образом, полностью понять квантовую механику, нам нужно будет понять, что у нас есть та модель сознания, которая соответствует нашему опыту повседневной жизни, которая полностью основана на квантовой механике. В настоящее время я не думаю, что у нас это есть. Однако я считаю, что барьеры, с которыми сталкиваются физики, являются не принципиальными, а техническими барьерами.
Мы недостаточно продвинуты в квантовой механике, чтобы создавать модели, в которых мы могли бы идентифицировать то, что мы начали бы распознавать как сознание. Это большая проблема на будущее. Но у нас есть все основания полагать, что однажды эта задача может быть решена. Итак, что нам нужно, так это модель, полностью квантово-механическая и содержащая сложные объекты, на которые вы можете указать и сказать, что они ведут себя как сознательный разум, и эту вещь я могу распознать как мыслящую сущность. Часть проблемы, конечно, заключается в том, что определение “сознания” очень скользкое.
А.П.: Ваш ответ напоминает мне о том, что кто-то пошутил мне, увидев оглавление моей книги и прочитав дискуссию с Чираком: “Значит, физики теперь тоже увлекаются философией?”
Ф.У.: Физики всегда были философами. На самом деле, исторически зарождение философии и естествознания в Древней Греции было связано с одним и тем же кругом людей. Такие люди, как Пифагор, Фалес и Платон, не считали себя философами или физиками, они были и тем, и другим. Они разрабатывали основные вопросы обеих дисциплин, каким-то образом, вместе, с самого начала. Теперь, в последние годы, физика стала намного более сложной и отделилась от академической философии, которая сама по себе является дисциплиной, имеет свои собственные методы и объем академической литературы и так далее.
Однако я не думаю, что физики должны отказываться от попытки полностью понять мир. Они добились многих успехов в понимании физического мира, с точностью, точностью и большой глубиной, и я не думаю, что это лишает их права обращаться к классическим вопросам философии. Напротив, я думаю, что это дает им больше возможностей, чтобы они могли по-новому взглянуть на то, что стало традиционными “философскими” вопросами.
И я думаю, что многие физики не хотели этого делать, либо потому, что они заняты физикой, либо потому, что они не осмеливаются, но я думаю, что физикам вполне уместно быть еще и философами. На самом деле, я думаю, что так и должно быть, потому что многие идеи, которые мы узнали о физическом мире в физике, — это очень удивительные вещи, о которых вы не догадались бы из повседневного опыта, поэтому я думаю, что нам есть чему научить философов. Тем более, что квантовая механика — это действительно обширное расширение того, что мы подразумеваем под реальностью, и это требует корректировки вашего мышления. Если вы хотите серьезно изучать реальность или разум, вам действительно следует знать квантовую механику. Для меня философ, который не знает квантовой механики, подобен пловцу со связанными за спиной руками.
“Для меня философ, который не знает квантовой механики, подобен пловцу со связанными за спиной руками”.
А.П.: Давайте перейдем к тому, что я назову вопросами о “странных идеях” — вещам, которые меня интересовали, как не ученого, исходя из большого невежества, но с глубоким любопытством. Если есть какой-либо известный символ или идея о квантовой физике, которые для обычных людей вступают в противоречие с повседневной логикой, это тема кота Шредингера. Вам не кажется, что трудно объяснить людям, что, не зная, жива кошка или мертва, когда вы пытаетесь это выяснить, вы приходите к выводу, что кошка и мертва, и жива одновременно? Это нечто довольно странное, противоречащее здравому смыслу даже для студентов университетов, изучающих этот предмет.
FW: Есть много ситуаций, когда вы описываете их вероятностью, которую вы не знаете, прежде чем наблюдать то, что вы будете наблюдать. Это, почти по определению, и есть то, что означает вероятность. Вы не знаете, что вы можете найти, когда изучаете это, когда проводите наблюдение, когда выбираете образец или что-то еще, но квантово-механическая ситуация немного отличается. Что делает это парадоксальным, так это то, что существует очень реальный смысл, в котором возможности живого состояния кошки и мертвого состояния сосуществуют таким образом, что это неверно в классических ситуациях. Так вот, такое сосуществование не является практической ситуацией для кошек, но мы можем говорить о аналогичной ситуации для атомов, и это действительно становится практичным для атомов. Но, в духе вашего вопроса, позвольте мне вернуться к разговору о кошках.
В принципе, давайте предположим, что через некоторое время T вероятность того, что кошка жива, или вероятность того, что кошка мертва, согласно квантовой механике, прогнозируется равной 50/50, так что каждый из них одинаково вероятен. У нас есть такая ситуация, и мы можем проверить ее и поэкспериментировать, поэтому у нас много кошек, и мы можем проводить один и тот же эксперимент снова и снова. Но квантовая механика говорит вам, что если вы выполните определенные операции по истечении этого времени T, вы можете изменить ситуацию так, чтобы кошка была определенно жива или чтобы кошка была определенно мертва, и обе эти возможности присутствовали, и вы могли бы восстановить их, выполнив разные действия в исходной ситуации, в исходном волновая функция.
Итак, что отличает квантовую механику, так это то, что эти две возможности не являются взаимоисключающими, они обе сосуществуют в данной ситуации, и то, что происходит, когда вы наблюдаете, — это то, что называется “коллапс волновой функции”. Вы фиксируете одну возможность, но до того, как вы сделали наблюдение, до того, как вы вмешались в ситуацию, присутствовали обе возможности. И если вы не вмешиваетесь, но позволяете системам оставаться рядом, не наблюдаете за ним, манипулируете им с помощью каких-то полей, никогда не заглядывая внутрь, чтобы узнать, жив кот или мертв, вы можете обратить эволюцию вспять и сделать его полностью живым, или вы можете сделать его полностью мертвым. Для настоящих кошек это вообще непрактично, но это для атомов … Если вы говорите не о живой кошке или мертвой кошке, а о вращении атома, направленном вверх или вниз, вы можете буквально делать эти вещи — вы можете создать ситуацию, в которой существует 50/50-процентная вероятность того, что вращение будет вверх или вниз, но затем, по оперируя этой волновой функцией, не наблюдая, просто оперируя ею, вы можете показать, что любая из этих возможностей действительно существовала.
АП: Значит, вы верите, что квантовая суперпозиция является частью человеческой логики …
ФВ: О, да! Что ж, некоторые люди довольно успешно занимаются физикой и квантовой механикой. Вы знаете, я иногда занимаюсь квантовой механикой и иногда допускаю ошибки, но мне всегда удавалось их исправить. Нет никаких реальных сомнений в том, как вы применяете квантовую механику к физическим ситуациям; есть правильные и неправильные ответы. Об этом может быть трудно думать — иногда в квантовой механике есть очень нелогичные аспекты. Вы должны как бы вывести себя за рамки здравого смысла и думать о некоторых вещах по-другому, потому что, если бы вы применили “здравый смысл”, вы получили бы неправильный ответ. Иногда необходимо только следовать уравнениям. Но вы знаете, есть много людей, которые очень успешно практикуют квантовую механику и используют ее при проектировании компьютеров и всевозможных других странных устройств, используют ее для выполнения очень многих конкретных вещей. Это, конечно, не выходит за рамки человеческого понимания.
“Вы должны как бы вывести себя за рамки здравого смысла и думать о некоторых вещах по-другому, потому что, если бы вы применили «здравый смысл», вы получили бы неправильный ответ”.
АП: Хорошо, давайте перейдем к следующему вопросу: путешествия во времени. Статья, которую вы некоторое время назад опубликовали в журнале Quanta, посвящена концепции стрелы времени, которая была придумана Артуром Эддингтоном почти 100 лет назад, но остается нерешенной проблемой современной физики. Эта идея постулирует “одностороннее направление” или “асимметрию” времени. Позвольте мне просто спросить вас прямо: почему путешествия во времени работают только в научной фантастике и, следовательно, в воображении, а не в нашей повседневной реальности?
FW: Ну, это очень сложный вопрос. Не только по содержанию, но и по формулировке. Итак, позвольте мне попытаться свести ваш вопрос к основному. Один из аспектов заключается в том, что имеют в виду физики, когда говорят об универсальной симметрии? Поскольку вы на самом деле не можете изменить направление времени [в реальности, в которой мы живем], это звучит как метафизика, чтобы сказать: хорошо, если мы изменим направление времени, произойдет то-то и то-то.
Но, на самом деле, это означает что-то очень конкретное. Это означает, что если у вас есть физическая ситуация, когда частицы движутся с определенными скоростями, поэтому в какой—то начальный момент вы знаете, где они находятся и в каком направлении они движутся — они основаны на определенных уравнениях — вы также можете обсудить ситуацию, когда вы столкнулись с частицами в том же пространстве, но движущимися в противоположном направлении. направление. Так что, если вы измените (в уравнениях) направление времени, они будут двигаться в противоположном направлении. Вы можете увидеть, управляются ли эти две ситуации одними и теми же уравнениями.
Симметрия обращения времени просто говорит о том, что если вы измените направление вращения и скорости всего в вашей системе, вы увидите, что она основана на тех же уравнениях, как если бы вы этого не делали. Так вот что конкретно означает обращение времени вспять для физиков. Есть много деталей, которые являются более сложными, которые связаны со спином и имеют отношение к экзотическим видам частиц. Но в этом и заключается идея. И мы находим в физике, что этот принцип работает очень, очень точно. Не идеально, но очень, очень точно. Но в повседневной жизни это кажется совсем не так. Не похоже, что направление времени вперед и назад воспринимается в нашей жизни одинаково. Конечно, это определенно не так.
Итак, как это согласуется с экспериментом, о котором я упоминал? Ну, во-первых, на практике мы не можем ни в одной сложной системе, не говоря уже о человеческом теле, изменить направление движения каждой частицы. Так что на практике вы действительно не сможете этого сделать. Вы не можете получить прямое следствие лежащей в основе симметрии обращения времени. Прошлое и будущее очень разные, и существует длинная история о том, почему это так, хотя основные уравнения выглядят одинаково вперед и назад. И я не думаю, что сейчас уместно вдаваться во всю эту историю, но позвольте мне кое-что сказать. Суть его заключается в том, что вначале, на самой ранней стадии развития Вселенной, Вселенная была намного горячее и плотнее и расширялась. Это был Большой взрыв. И Большой взрыв произошел в прошлом, а не в будущем. Итак, это говорит вам о том, что в прошлом все было совсем по-другому и что мы движемся к будущему, которое сильно отличается от начала (Вселенной). И с помощью длинной серии аргументов о формировании структуры, остывании Вселенной и так далее вы можете набросать историю Вселенной, которая имеет смысл и согласуется с нашим опытом движения времени только в одном направлении, хотя в фундаментальных уравнениях мы имели бы то же поведение, если бы оно двигалось в противоположном направлении.
АП: Фух, хорошо. Писатели-фантасты остерегаются …
Ф.У.: Я имею в виду, что в принципе это очень интригующая возможность — изменить направление движения частиц и заставить их обратить вспять свою эволюцию во времени, чтобы они восстановили свое состояние в более раннее время. Может быть, если бы мы сделали это для некоторых ключевых молекул, например, чтобы обратить вспять старение. Но на практике мы не знаем, какие ключевые элементы, если таковые имеются, нам нужно обратить вспять, и поэтому симметрия обращения времени фундаментальных законов не помогает нам ни в чем, что является очень практичным для нас.
АП: Наконец, я хочу спросить вас о чем-то важном для меня, но явно не связанном с физикой. Я много пишу и публикую об инновациях, которые были модным словом на протяжении десятилетий и, похоже, остаются им до сих пор. В наши дни все, от предпринимателей до политиков, вынуждены внедрять инновации. Как вы относитесь к этому термину, его понятию и его значению сегодня, с вашей точки зрения как ученого, но и просто как гражданина? Какие различия вы видите между концепциями открытий, изобретений и инноваций в мире, в котором мы живем сейчас?
FW: Я думаю, что сейчас мы живем в совершенно особое время из—за средств коммуникации и средств мышления, которые у нас есть — электроники и микроэлектроники, компьютерных технологий и телекоммуникаций. Благодаря всем этим вещам люди могут гораздо эффективнее обмениваться идеями. Люди могут собраться вместе и подумать. А с другой стороны, есть о чем подумать, потому что технология очень мощная, и мы очень, очень хорошо понимаем материю. Таким образом, мы можем создавать вещи, основанные на воображении и планировании, и быть уверенными, что они работают или, по крайней мере, быть достаточно уверенными в том, что они будут работать. Так что это инновация — своего рода расширение наших знаний о мире, чтобы вносить улучшения здесь и там. И я, как физик, очень горжусь тем, что так много инноваций появилось благодаря глубокому пониманию физического мира и реальности, которое изначально было предоставлено людьми, которым просто было интересно, как работает физический мир, и, в частности, квантовый мир, о котором мы говорили.
Вся микроэлектроника, транзисторы, полупроводники и т.д. не существовало бы без глубокого понимания материи, которое физика создала в течение 20-го века. И это еще не конец. Мы понимаем, но мы не исчерпали потенциал, который был открыт этим глубоким пониманием мира. На самом деле, сама теория говорит нам, что есть гораздо больше возможностей для совершенствования. Ричард Фейнман, один из моих героев, выступил в 1959 году со знаменитой речью под названием “На дне много места”, в которой предвосхитил богатство микромира: даже в маленьких вещах много, много, много атомов. И если вы умеете умело работать с ними, вы можете создавать маленькие машины, вы можете делать полезные вещи, в медицине и, конечно, в вычислительной технике. В принципе, он предвидел, что это откроет различные возможности во многих направлениях; конечно, он не мог предсказать детали, но он указал в этом направлении. И теперь мы видим их воплощение в микроэлектронике, нанотехнологиях и современных телекоммуникациях. Все это происходит от очень хорошего понимания этого микрокосмического мира, в мельчайших деталях и глубине. Недавно Нобелевская премия по химии была присуждена за создание молекул, которые функционируют как двигатели, и понимание того, как это сделать. Таким образом, во многих отношениях эта фундаментальная наука открывает новые возможности для инноваций.
Итак, вы спросили меня о взаимосвязи между инновациями и научными открытиями. Я думаю, что они как бы оттеняют друг друга. Но в основном наука, основанная на любопытстве, фундаментальная наука более долгосрочна. Он не фокусируется на целях, которые вы знаете, как достичь, и вы просто хотите достичь их быстро или эффективно. Это уводит нас на неизвестную территорию, где мы не знаем, что мы делаем — или почему мы это делаем. Но такого рода вещи открывают новые возможности для инноваций позже. Поэтому я бы сказал, что научные исследования постоянно сопровождаются инновациями, это долгосрочное предприятие, основанное на любопытстве. В то время как краткосрочные инновации приносят плоды открытий.
Adolfo Plasencia is a writer and columnist who covers science and technology, and the author of “Is the Universe a Hologram? Scientists Answer the Most Provocative Questions.”