Метафизические дебаты в квантовой физике не приводят к «истине» – они не что иное, как форма ритуала, деятельности и культуры https://aeon.co/essays/how-wittgenstein
Впервые я узнал об аллегории пещеры Платона, когда учился в старших классах средней школы. Ботаник по математике и английскому языку – странное сочетание – я играл на виолончели и писал короткие рассказы в свободное время. Я немного разбирался в философии и посещал обзорные занятия по гуманитарным наукам, но теория идеальных форм Платона стала откровением: это представление о том, что мы можем испытать игру теней реальности, которая, тем не менее, вечна и неизменна. Где-то там был идеальный круг; все остальные круги, которые мы могли видеть, были бледными копиями этого единственного Круга, пылью и пеплом по сравнению с его эфирным единством. В погоне за этим идеалом в молодости я изучал математику. Я мог бы доказать, что число простых чисел бесконечно, а квадратный корень из двух иррационален (действительное число, которое нельзя получить путем деления двух целых чисел). Мне сказали, что эти утверждения были верны в начале времен и будут верны в их конце, еще долго после того, как последний математик исчезнет из космоса. Тем не менее, когда я набирал доказательства для своей докторской курсовой работы, человеческий элемент математики начал меня смущать. Мои доказательства больше походили на аргументы, чем на неопровержимые расчеты. Каждая из них опиралась на самоочевидные аксиомы, которые, хотя и казались очевидными, были основаны не более чем на консенсусе среди математиков. Эти проблемы с математикой оказались хорошо известными. Математик и философ Бертран Рассел потратил большую часть своей карьеры, пытаясь укрепить этот дом, построенный на песке. Его попытка была опубликована вместе с его коллегой Альфредом Нортом Уайтхедом в высокопарно озаглавленном «Principia Mathematica» (1910-13) – плотном трехтомном томе, в котором Рассел вводит расширенное доказательство 1 + 1 = 2 с остроумием, что «Вышеупомянутое утверждение иногда полезно». Опубликованная за значительный счет авторов, их работа вызвала цепную реакцию, которая к 1930-м годам показала, что математика балансирует на грани непоследовательности и неполноты.
В конце концов я обратился к физике, надеясь переосмыслить свои платонистские устремления в вечных законах, которые управляют физической реальностью космоса. Но квантовая теория разоблачила и это как фантазию: даже при том, что мы могли определить правила и уравнения для физических законов, мы не могли объяснить, что они означают. Недавние эксперименты в области квантовой теории информации показали, что наши самые основные предположения о реальности, например, когда что-то можно считать наблюдаемым и обладающим определенными физическими свойствами, находятся в поле зрения наблюдателя. Попытки разрешить эти парадоксы восходят к заре квантовой механики, когда Альберт Эйнштейн и Нильс Бор обсуждали, как интерпретировать непонятные явления, которые они обнаружили. И все же, только когда я погрузился в параллельную среду Кембриджской философии, во времена господства Людвига Витгенштейна и Рассела, я начал чувствовать, что мои сомнения по поводу математики и физики могут быть устранены. Современники Эйнштейна и Бора, Витгенштейн и Рассел не участвовали в квантовой революции напрямую. И все же именно в работах этих философов я начал видеть ответы на некоторые из наших самых фундаментальных вопросов о реальности – ответы, которые проистекают из признания того, что мы не только задаем неправильные вопросы; мы задаем бессмысленные.
Великие дебаты о квантовой физике начались в 1920-х годах. Бор и его протеже Вернер Гейзенберг пытались выяснить, как говорить о странном поведении квантовых частиц: например, как они, казалось, «знали», когда за ними наблюдали, и действовали как частица, когда наблюдали, и волна, когда не наблюдали. Как описать это явление, сбило с толку теоретиков. Гейзенберг (а позже Эрвин Шредингер) придумал уравнения, которые описывали частицы в терминах волновой функции, где простые числа становились объектами бесконечных измерений, живущими в экзотических математических пространствах. Акт наблюдения теперь имел сложное описание, которое учитывало то, что делал экспериментатор. Но вся эта математика не давала представления о том, что на самом деле происходит, когда измеряются свойства частицы. В этот момент вся сложная бесконечномерная математика внезапно сжалась в отдельные числа, как будто частицы были там все это время. Наблюдение за наблюдением рассеяния фотонов на экранах показало, что простое объяснение невозможно. Это описание было глубоко неудовлетворительным для Эйнштейна, потому что волновая функция, по-видимому, не позволяла частицам обладать определенными свойствами до того, как они были обнаружены. Эйнштейн хотел, чтобы волновая функция исчезла, заменившись какой-нибудь более разумной интерпретацией, в которой вещи сохраняли бы определенные свойства и местоположение. Однако, несмотря на десятилетия споров о неполноте квантовой механики, от волновой функции нельзя было отказаться.
Точка зрения, возникшая в результате этого торга, стала известна как «копенгагенская интерпретация», придуманная Гейзенбергом в 1955 году и основанная на наличии фундаментального разделения между наблюдателем и наблюдаемой системой. Тем временем эрудит Джон фон Нейман придумал идеализированное математическое описание того, что происходит, когда вы измеряете волновую функцию частицы: она разрушается при взаимодействии с наблюдателем. Куда делась остальная часть волны и была ли она вообще когда-либо реальной, можно было только догадываться.
Вселенная — это монета, которая уже подброшена, орел или решка предопределены: все, что мы делаем, это раскрываем ее.
К концу 20-го века появились десятки других интерпретаций под экзотическими названиями: теория многих миров, супердетерминизм, последовательные истории, модальная интерпретация, суперизбрание, механика Бома, уравнения Линдблада. Я даже изобрел свой собственный: динамические истории. В то время как некоторые, такие как моя, предложили новые теории, которые могли бы вступить в противоречие с квантовой механикой, большинство из них этого не делают. Они метафизические, а не физические. Большой вопрос, скрывающийся за всем этим, заключается в следующем: что означает волновая функция? Представляет ли это что-то реальное или нет? Большинство интерпретаций являются «реалистическими» в том смысле, что они предполагают, что волновая функция является реальной сущностью, а затем продолжают объяснять, что она представляет, но некоторые говорят, что ее вообще не существует, например, квантовый байесовский или QBism, как это известно. QBism обязан своим существованием работе друга и современника Витгенштейна Фрэнка Рэмси, который разработал антиреалистическую интерпретацию вероятности. QBism утверждает, что волновая функция — это чисто кодирование человеческой неопределенности, представляющее спектр вероятностей, который обновляется, когда мы делаем наблюдение. Таким образом, квантовая волновая функция относится вовсе не к объективной реальности, а к нашим будущим наблюдениям. Таким образом, QBism опровергает платоновский идеализм волновой функции и объявляет ее простой математической количественной оценкой наших убеждений. Многие физики устали от этих дебатов и их кажущихся бесконечными и неудовлетворительными споров между реалистами и антиреалистами. Они хотят, чтобы мы «заткнулись и вычисляли!» Словами физика Дэвида Мермина: вообще перестали пытаться интерпретировать квантовую механику и вернулись к ней. Философы, с другой стороны, склонны отвергать эту последнюю группу как философски невежественную. Есть подозрение, что в глубине души такие физики просто обладают метафизикой, которую они не хотят признавать, потому что не хотят становиться на сторону интерпретации, не имеющей научной поддержки. Тем не менее, у тех, кто следует наставлениям Мермина, есть друг в лице одного из великих философских умов 20–го века — того, кто не только поддерживает их позицию, но и философски обосновывает, почему она единственно правильная. Витгенштейн был философом поневоле. Родившийся в 1889 году в богатой и влиятельной семье в Вене, Австрия, философия, казалось, была для него скорее принуждением, чем любовью – склонностью застревать на определенных вопросах, неспособным двигаться дальше, не решив их. Возможно, именно поэтому Витгенштейн почувствовал необходимость «решить» философию раз и навсегда, атакуя ее корни и тем самым разрушая все философские дебаты, включая более широкую ссору между реалистами и антиреалистами во всех областях.
Витгенштейн был одновременно фантастически высокомерен перед своими коллегами и глубоко скромен перед вопросами, с которыми он сталкивался. Его задачей было не что иное, как выяснить, что лежит в основе логики. Начав свою деятельность в зарождающейся области авиационной техники в 1908 году, он быстро тяготел к философии математики. Его немецкий наставник Готлоб Фреге отправил его в Кембриджский университет работать с Расселом. О Витгенштейне Рассел писал следующее: «Неизвестный немец казался… упрямым и порочным, но, я думаю, не глупым’. В течение года Витгенштейн показал себя Расселу, который сказал: «Я, конечно, буду поощрять его. Возможно, он совершит великие дела … Я люблю его и чувствую, что он решит проблемы, которые я слишком стар, чтобы решать.’Мотивы Рассела, однако, расходились с мотивами Витгенштейна. Внук графа, Рассел воспитывался в знатной семье своей строгой и набожной бабушкой. Не находя утешения в своей религии, Рассел искал его в математике, но только для того, чтобы узнать, что корни древней дисциплины прогнили. Он с ужасом обнаружил, что аксиомы геометра Евклида, такие как «две параллельные прямые не пересекаются», были всего лишь предположениями. Точно так же система счисления основана на самоочевидных истинах. Если бы что-то было не так, все это могло бы рухнуть. Поэтому Рассел посвятил свою жизнь разрешению всех неопределенностей в математике.
Рассел – продукт викторианской эпохи – продолжал искать определенности там, где ее не было.
Рассел присвоил философию Витгенштейна, чтобы укрепить базовую логику, но у Витгенштейна были другие идеи. Он хотел понять, что делает факты правдивыми или ложными – не потому, что он хотел утешения от уверенности, а потому, что, ну, это его беспокоило. В отличие от Рассела, Витгенштейн был предан истине, какой бы уродливой она ни была. Жизнь Витгенштейна была не менее необычной, чем его мысли. Он интенсивно работал с Расселом с 1911 по 13 год, месяцами уединяясь в уединенной хижине в сельской местности Норвегии, чтобы выработать свои идеи. В 1913 году он вернулся в Австрию только для того, чтобы погрузиться в хаос Первой мировой войны. Это было время массовых потрясений на всех уровнях европейского общества. Империи приходили в упадок, и старый монархический порядок угасал. Избирательное право женщин было в самом разгаре, а голосование в Великобритании и Соединенных Штатах началось после войны. Наука и математика также сбрасывали оковы классицизма 19-го века. Теория относительности Эйнштейна, как специальная, так и общая, опровергла концепцию универсального времени и пространства Исаака Ньютона, в то время как принцип неопределенности Гейзенберга несколько лет спустя уничтожил достоверность измерений. Тем временем Рассел – продукт викторианской эпохи – продолжал искать определенности там, где ее не было. Молодому Витгенштейну, подхватившему дух времени, выпало попытаться разрешить спор о реализме раз и навсегда, даже если это означало его уничтожение. Военные годы дались Витгенштейну нелегко. Слабое здоровье освобождало его от призыва в армию, но он пошел добровольцем на службу и в конце концов отправился на фронт. Его причины были сложными, но из его писем видно, что он искал чего-то, чего, как он чувствовал, не мог найти в интеллектуальных занятиях. В письме с Восточного фронта он выразил надежду, что «близость смерти» вызовет в нем духовную трансформацию. Измученный одиночеством и духовной тоской, он подумывал о самоубийстве, но только для того, чтобы спастись верой. В то время как до войны он соперничал с Расселом в своем отвращении к религии, случайная находка в книжном магазине книги Льва Толстого «Краткое Евангелие» (1902) заставила его стать набожным христианином. Его вера повлияла на его последующую работу, и наоборот. Захваченный итальянцами в 1918 году, он провел месяцы в лагере для военнопленных. Именно во время войны он сформировал большую часть своих идей для своей первой большой работы «Логико-философский трактат» (1922) – книги, в которой современная логика применялась к метафизике с помощью языка, чтобы связать факты о реальности с самой реальностью. Он назвал это теорией смысла.
В «Трактате» Витгенштейн развил философию, которая глубоко укоренилась в мире – не в идеализированных сферах мышления, как у рационального идеалиста Рассела, а в том, как мы говорим о мире. Вместо того чтобы выдвигать теорию о том, как слова и факты представляют реальность, что имеет решающее значение как для реалистов, так и для антиреалистов, он решил, что репрезентация не имеет значения. Никому не нужно говорить, что представляют собой факты и объекты. Они просто существуют, встроены в нашу картину реальности. Говорить о том, что они представляют, на самом деле чепуха, абсурд. Как и в визуальной сфере, вторая картинка не нужна, чтобы объяснить, что означает первая картинка; если бы это было иначе, мы стали бы жертвой бесконечной рекурсии.
Витгенштейн был серьезен в том смысле, что он считал, что мы не можем говорить о вещах, которых нет в мире
Что понял Витгенштейн, так это то, что вы не можете использовать слова для объяснения репрезентации, потому что слова сами по себе являются репрезентациями. Это было бы все равно, что пытаться путешествовать за пределы Вселенной, чтобы показать кому–то, что такое Вселенная, — подвиг, который одновременно невозможен и не нужен. Предложение показывает, что оно означает по своему собственному смыслу. Таким образом, если я говорю: «У Дженни есть яблоко», мне не нужно объяснять, как слова «Дженни» и «яблоко» представляют физические объекты в мире; и мне не нужно объяснять, что означает «имеет’. Мы взаимно понимаем, что, если Дженни находится прямо здесь и у нее в руке апельсин, предложение ложно. Это показывает его смысл. Больше нечего сказать об этом, пока мы оба понимаем правила языка. Таким образом, Витгенштейн даже в своих ранних работах предполагает, что дебаты между реалистами и антиреалистами бессмысленны, потому что обе стороны пытаются сказать вещи, которые можно только показать. С этой ранней витгенштейновской точки зрения математическое уравнение – фактически, любое уравнение, включая те, которые управляют квантовой механикой, – похоже на фотографию реальности. Как и фотографии, нам не нужно, чтобы кто-то интерпретировал их значение как реалистическое или антиреалистическое. Нам не нужен Копенгаген или множество миров, чтобы указать нам на смысл уравнения, потому что это уже так очевидно, как никогда не будет. Спрашивать, что представляет собой волновая функция, все равно что спрашивать, что представляет собой статуя Давида Микеланджело или картина Ван Гога «Звездная ночь»: любое объяснение, выходящее за рамки простых фактов, является недостаточным и субъективным. Вы можете счесть это объяснение неудовлетворительным. И все же Витгенштейн был серьезен в том, что он считал, что мы не можем говорить о вещах, которых нет в мире. В то время как мы могли бы говорить о квантовой механике в терминах частиц, измерений и вычислений, любые философские атрибуты, которые приписывают значение тому, что мы можем наблюдать (например, «реальное» или «нереальное»), являются бессмыслицей. Мы должны молчать о том, чтобы приписывать волновой функции дополнительный смысл. Однако исследования Витгенштейна о том, о чем мы можем и не можем говорить в философии, будут развиваться в течение следующих нескольких десятилетий и приведут к отказу даже от таких философских концепций, как теория изображений, на которой он построил Трактат.
Написав «Трактат», Витгенштейн считал, что «разгадал» философию. В своем странном, надменном смирении он оставил дисциплину в 1920-х годах и работал на разных работах садовником, учителем и архитектором. Однако это междуцарствие подошло к концу, когда Витгенштейн столкнулся с логическим эмпиризмом. Это было движение, возникшее из группы философов, известных как Венский кружок. Они подчеркивали эмпирическое знание и теорию «логического позитивизма», означающую, что мы можем приписывать значение только тому, что можно измерить или наблюдать. Строгие логические позитивисты не заботятся об объяснениях или интерпретациях; скорее, они верят, что понимание мира строится на измерении и его предсказании. Трактат был основополагающим столпом Венского кружка, и это побудило Витгенштейна продолжить свою работу. В 1929 году он решил вернуться в Кембридж, но отошел от философии математики и логики в сторону обычного языка и психологии.
Он полностью отвергает теорию значения, внося в нее один из своих самых весомых вкладов
В конце концов Витгенштейн собрал свои идеи в книге под названием «Философские исследования» – вероятно, одной из самых странных книг по философии, когда-либо опубликованных (и, возможно, по этой причине выпущенной только после смерти Витгенштейна от рака в 1951 году). Вместо того, чтобы быть организованным в виде последовательности тем или предложений, Исследования представляют собой поток сознания, состоящий из точек зрения, аргументов и утверждений. На самом деле это соответствовало его собственной философии, которая заключается в том, что сама философия ничего не может открыть. Это просто форма терапии, которая может быстро превратиться в болезнь интеллекта. Его единственная задача — напоминать нам о том, что мы уже знаем. С этой более поздней витгенштейновской позиции все различные квантовые интерпретации были бы результатом больных умов и, в конечном счете, саморазрушительными. Это потому, что вся философия на самом деле представляет собой спор о простой грамматике. Если мы серьезно относимся к этим метафизическим спорам, утверждает он, мы не только неправы, но и больны. В своих философских исследованиях Витгенштейн полностью отвергает теорию значения, внося в нее один из своих самых весомых вкладов. Любой язык, по его словам, получает свои определения от того, как он используется в конкретных случаях. Любой язык – это игра, подобная шахматам или покеру: мы изучаем правила, играя, а не теоретизируя или определяя. Так что само понятие универсального определения — это уловка, своего рода уловка. Нельзя говорить о том, что на самом деле означают слова; можно только использовать их. Это относится как к математике, так и к обычным словам. Витгенштейн хочет показать нам, что нам нужно перестать пытаться интерпретировать язык. Возьмем, к примеру, дорожный знак, указывающий на деревню. Мы видим дорожный знак и мгновенно понимаем его значение. По его словам, хотя здесь присутствует элемент символического декодирования, более глубокого этапа интерпретации нет. Другими словами, нам не нужно выяснять, как знак представляет реальность, будь то в идеальном мире Платона или в какой-то субъективной концепции реальности в наших головах. Знак может содержать практически любые символы, цветовую кодировку или цифры, при условии, что действие, которое люди предпринимают, увидев его, является правильным. Знак ‘показывает’ нам, где находится деревня, потому что именно так используются знаки такого рода. Это его истинное значение. Покойный Витгенштейн полностью отвергает свою собственную теорию изображения реальности. Картинки приятные и приятные, но на самом деле важно их использование. Волновая функция, при таком прочтении, совсем не похожа на картину реальности. Все, что имеет значение, — это то, что физики теперь имеют возможность проводить вычисления, которые приводят к предсказаниям, которые могут быть проверены измерениями. Однако дело не в самих измерениях – как мог бы утверждать логический позитивист, – а в том, как ведут себя физики. Рассчитывают ли они таким образом, чтобы это приводило к большей и лучшей физике? Язык и математика — это средства контроля и изменения коллективных человеческих действий таким образом, чтобы работа выполнялась.
Это язык как культура, а не язык как изображение. А культура включает в себя ритуал. Как и все ритуалистические сообщества, физика содержит свои правила, интерпретации, специализированную лексику, сообщество адептов, допущенных к тайным искусствам, уровни идеологической обработки и привратников. В то время как некоторые общества связывают ритуал с умиротворением богов и духов, в науке они служат терапевтическому удовлетворению наших философских потребностей. Конкуренция между интерпретациями мало чем отличается от конкуренции между клановыми богами, пытающимися достичь культурного господства.
Эволюционная культурная антропология поддерживает эту точку зрения, продемонстрировав, что язык глубоко связан с ритуалом и религией. Точно так же лексика, грамматика и процедуры науки сами по себе являются ритуальными, причем каждая дисциплина имеет свои собственные нравы и нормы. Это необходимо, потому что ученые не могут оценивать новые исследования исключительно на основе фактических данных; часто требуются годы, чтобы подтвердить новую теорию или экспериментальный результат. Роль ритуала также имеет смысл с эволюционной точки зрения. Люди потратили сотни тысяч лет на навигацию по враждебной планете, кодируя информацию, важную для выживания, в ритуал, который затем может передаваться из поколения в поколение. Когда мы изобрели научный метод всего несколько сотен лет назад, нам пришлось привить его к этой части нашей природы, чтобы передать его из поколения в поколение, используя древний и эффективный культурный механизм для новой цели.
Деятельность науки, а не ее интерпретации, определяет, что означают слова и символы
Следовательно, квантовая интерпретация на самом деле не является исследованием реальности, и она не говорит нам ничего нового о мире. Скорее, это грамматическое исследование или, в антропологических терминах, культурное. Это соревнование между различными философскими методами лечения, удовлетворяющими различные эмоционально-культурные потребности. Важно отметить, что именно в деятельности науки, будь то с помощью эксперимента или расчетов, существует вся ее полезная информация, которую она генерирует. Витгенштейн объясняет, например, как акт определения длины объекта — это не случай изучения теорий и определений, а деятельность: Что означает «определение длины», не изучается путем изучения того, что такое длина и определение; значение слова «длина» изучается, среди прочего, путем изучения того, что значит определять длину. Это описание указывает на то, что узнать, что означает квантовая физика, значит научиться ее вычислять – и наоборот.
Витгенштейн предполагает, что даже математика потенциально является общим языком и видом деятельности. Он спрашивает:
что бы это значило: "Даже если бы все верили, что дважды два равно пяти, это все равно было бы четыре?— На что было бы похоже, если бы все в это поверили?— Ну, я мог бы представить, например, что у людей было другое исчисление или техника, которую мы не должны называть ‘вычислением’. Но будет ли это неправильно?Он предполагает, что «странный» было бы лучшим словом для этого, но у нас не было бы общей системы отсчета, чтобы назвать это неправильным. Далее он предполагает, что математика — это во многом деятельность, похожая на игру, и все мы знаем одни и те же правила, которые формируют систему. Следовательно, мы все приходим к одним и тем же выводам и никогда не спорим о том, что доказано. Тем не менее, некоторые инопланетные виды могут придумать другие правила для своей математической игры, которые не менее справедливы, потому что они следуют своим правилам. Если бы Витгенштейн был жив сегодня, он мог бы изложить свои аргументы в словаре культурной антропологии. Ибо эта общая грамматика и эти языковые игры, по его мнению, являются частью гораздо более масштабных ритуальных механизмов, которые связывают человеческую деятельность с человеческими знаниями так же глубоко, как ДНК связана с биологией человека. Это также прекрасный пример того, как работает эволюция, используя ранее существовавшие механизмы для создания новых моделей поведения.
Вывод из всего этого состоит в том, что интерпретация и представление в языке и математике мало чем отличаются от сверхъестественных объяснений древних религий. Пытаться разрешить спор между Бором и Эйнштейном — все равно что пытаться ответить на дзен-коан о том, издает ли звук падающее в лесу дерево, если его никто не слышит. Никто не может сказать определенно «да» или «нет», потому что весь человеческий язык должен быть связан с человеческой деятельностью. И весь человеческий язык и деятельность являются ритуальными, означающими значение благодаря их взаимосвязи. Поэтому спрашивать, что означает волновая функция, без указания действия – и эксперимента – для извлечения этого значения так же разумно, как спрашивать о звуке падающего дерева. Это чушь.
Я стал думать о мире не как о наполненном четко определенными истинами, а как о месте с множеством возможностей
Как ученый и математик, Витгенштейн бросил вызов моей собственной тенденции искать интерпретации явлений, которые не имеют научной ценности, и рассматривать такие объяснения не более чем как повествования. Он учил, что все, что может сделать философия, — это напомнить нам о том, что очевидно истинно. Очевидно, верно, что волновая функция имеет мультивселенную интерпретацию, но сначала нужно предположить мультивселенную, поскольку ее невозможно измерить. Так что интерпретация — это тавтология, а не открытие.
Я смирился с тем фактом, что мы не можем оправдать цепляние за одну интерпретацию реальности вместо другой. Вместо моего раннего восторженного платонизма я стал думать о мире не как о мире, наполненном четко определенными истинами, а скорее как о месте, содержащем мириады возможностей, каждая из которых, как и возможности внутри самой волновой функции, может быть одновременно истинной. Точно так же математика и окружающий ее язык не столько отражают реальность, сколько служат надежным инструментом, помогающим людям ориентироваться в мире. Они имеют человеческое происхождение и предназначены для человеческих целей. Таким образом, заткнуться и рассчитать означает признать, что существуют ограничения на наши пути к пониманию. Наш единственный выбор как ученых — смотреть, прогнозировать и тестировать. Возможно, это не такое гламурное предложение, как интерпретации, которые мы можем создать в нашем сознании, но это королевский путь к истинному знанию.
12 May 2022, Автор: Тимоти Андерсен (является главным научным сотрудником Технологического исследовательского института Джорджии. Он является автором книги «Бесконечная Вселенная» (2020)). https://aeon.co/essays/how-wittgenstein-might-solve-both-philosophy-and-quantum-physics?ref=refind