Previous Entry Share Next Entry
Квантовый тупик
toothless
blogovodoved
От автора. Пообещал - сделал.
Disclaimer: ниже идёт дофига скучный текст про физику. Я предупредил.

Несколько раз я участвовал на Хабре в спорах об искусственном интеллекте, занимая крайне скептическую позицию и говоря, что человеческий мозг не может быть воспроизведён, воссоздан или скопирован, с отсылкой к Гейзенбергу. Реакция на такие заявления всякий раз одна и та же - отрицание.

Мы живём в очень механистическом мире. Так получилось, что представление о науке и технологии как об универсальном способе решения проблем, - одна из ключевых парадигм общественного сознания в 21-ом веке (по крайней мере, технически образованной его [общества] части). Людям с техническим складом ума (из которых во многом состоит Хабр) привычно считать мир гигантской машиной / компьютером / механической системой, где любое явление происходит согласно некоторому закону или алгоритму. От фундаментальной науки средний технарь, как правило, далёк; однако, наверняка, каждый из нас полагает, что его механистическое представление зиждется на успехах современной науки.

Этим топиком я попробую немножечко порвать этот шаблон и показать, что (а) подобное технико-механистическое представление само по себе не соответствует текущей научной парадигме, (б) современная наука знает об устройстве мира далеко не всё - и, честно говоря, находится в ещё более жёстком кризисе, чем была в начала 20-го века.

Дабы вы не посчитали меня городским сумасшедшим, сразу даю список литературы, на который я буду опираться:

* Ли Смолин. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует
* Ли Смолин. Time Reborn: From the crisis in physics to the future of the universe
* Вернер Гейзенберг. Физика и философия
* ну и эти ваши энторнеты, конечно

Последняя книга Смолина - Time Reborn - пожалуй, самое сильное сочинение, касающееся философии науки, за многие десятилетия. Удивительно притом что, в отличие от "Непрятностей с физикой" она осталась малозамеченной (и даже не переведена до сих пор на русский, насколько я знаю). Этот феномен, впрочем, легко объясним чрезвычайной сложностью и комплексностью самой книги.

Смолин задался очень простой целью: объяснить, что физика ещё со времён Ньютона (и мы, дети эпохи научно-технической революции, вслед за ней) занимается игнорированием реальности в самом прямом смысле этого слова. Как это понимать?

Время как феномен


Самый простой и очевидный пример - это отношение физики ко времени. Я недавно даже делал обзор. У Ньютона время было просто какой-то данностью. Эйнштейн и современная физика объявили время ещё одной размерностью пространства.

Одна проблема: описание времени (что ньютоновское, что эйнштейновское) никак не отражает реальность. Абсолютно очевидно, что время совершенно не то же самое, что пространство. Я могу спокойно перемещаться в пространстве в любую сторону - но время я не контролирую. Оно течёт вперёд, и только вперёд, независимо ни от чего. Ощущение времени и ход времени играют ключевую, основополагающую роль в жизни людей.

Физика отрицает этот факт напрочь. Вам кажется. Время - просто переменная в уравнении. Нет у него никаких выделенных свойств. Смотри, это уравнение работает!

Эта дурная привычка отрицать закрепилась за физикой с рождения. Да, этот метод, несомненно, имеет право на существование, поскольку он работает. Уравнения, отрицающие особую выделенную роль времени, с успехом прикладываются к описанию многих процессов и дают верные предсказания. За скобками остался лишь один вопрос - почему же физика не описывает объективную реальность, данную нам в ощущениях.

Общее и частное


Физика не описывает объективную реальность потому, что, согласно современной парадигме, это и не является её задачей. Физика строит модели, которые, в рамках их области применимости, позволяют делать предсказания о ходе явлений.

Иными словами, физики находят какой-то математический формализм, в который подставляются условия и ограничения реального процесса, ход которого требуется предсказать. Этот формализм считается "законом физики", поскольку, как ожидается, именно он и является определяющим звеном в этой цепочке. Не замечаете никакого подвоха?

Допустим, мы имеем некоторую общую абстрактную модель. Мы берём, замеряем начальные условия, поставляем их в уравнения и получаем результат. На разных наборах условий результат будет разный. Более того, абсолютное большинство начальных условий приводят к тривиальным вырожденным решениям или вовсе недопустимы.

Тем не менее, из окружающей нас реальности мы раз за разом "достаём" нетривиальный - более того, совершенно нестандартный - набор условий, в котором модель ведёт себя крайне необычно. Иначе говоря, реальность - это очень-очень-очень-очень-преочень специфический набор начальных условий.

Внимание, вопрос: а что же тогда нужно считать законом физики, описывающим некоторое нетривиальное явление - математическую модель или выбор начальных условий? Казалось бы, и то, и другое существенно важно, коль скоро наша конечная цель - предсказать ход процесса.

Вот например. Физические модели пространства времени симметричны относительно времени. Иными словами, зная состояние системы сейчас, мы можем просчитывать её как вперёд по времени, так и назад (это, собственно, прямое следствие отрицания специальной роли времени в физике). Даже в квантовой механике мы можем просчитать волновую функцию назад во времени.

И вот уже много лет мы упорно игнорируем тот простой факт, что в реальности никакой симметричности относительно времени нет. Например, клетки мозга гибнут в отсутствие кислорода через 5 минут и превращаются в биомассу. Сколь угодно точное измерение состояния этой биомассы никак не позволит вернуть её обратно к жизни. Если мы почитаем про необратимые процессы, то, не без удивления, выясним, что все сложные природные процессы считаются необратимыми, несмотря на.

Означает ли это, что физическая модель неверна? Да нет, она, конечно же, верна. Необратимые процессы подчиняются физическим законам так же, как любые другие. Почему же тогда они необратимы? Разве не этот вопрос должен интересовать физиков?

В современной фундаментальной физике это глубоко не так. Современная физика движется в сторону полного отрицания смысла за выбором параметров модели.

Стандартная модель физики частиц оперирует 19 базовыми константами, и ещё 7 или 8 нужны, чтобы описать массы нейтрино. Сама Стандартная модель никаких трактовок этим константам не даёт.

Струнные теоретики пошли в этом вопросе гораздо дальше. Они вводят некоторое (от 6 до 22) количество ненаблюдаемых измерений пространства-времени. В зависимости от геометрии каждого из них получаются новые теории струн. Существует понятие "ландшафт струнных теорий" - множество допустимых теорий струн можно попытаться примерно оценить, и эта оценка лежит примерно в диапазоне 1010 - 10100. Фактически, это ставит под вопрос саму возможность провести достаточное количество экспериментов, чтобы определить, какой же из струнных теорий соответствует наша Вселенная.

Можно ли ожидать, что таким путём можно прийти к ответу на Главный Вопрос Жизни, Вселенной и Всего Такого? Лично я вот прям очень-очень сомневаюсь. Скорее, можно построить математическую аппроксимацию настолько общую, что она будет способна описать вообще все явления, прошлые и будущие, и нам останется всего-то подобрать нужные константы.

Мета-закон


Вернёмся, однако, к необратимым процессам и ответим к тому вопросу, который наверняка возник у читателей по прочтении предыдущей главы. А почему физические процессы необратимы, если физические законы обратимы?

Что делает процесс необратимым? Неизмеримые флуктуации. На любой процесс действуют возмущения, которые могут влиять на конечный результат. До какого-то предела их можно измерять, но, фундаментально, они всегда будут вследствие соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Казалось бы, эти возмущения (там, где они существенно важны) должны приводить к каким-то случайным, непредсказуемым последствиям. Однако в реальности это не так; напротив, случайные возмущения сами по себе образуют вполне понятные и описываемые законы физики. Классический пример - второй закон термодинамики. Энтропия системы всегда увеличивается.

Почему так происходит? Вследствие хаотичного движения атомов. Заметьте, как в этом законе отчетливо сходятся "неинтересные" физикам проблемы: мы берем некоторую систему, которая определяется хаотичным и непредсказуемым процессом движения атомов; наблюдаем за ней, и, ВНЕЗАПНО, оказывается, что эволюция системы во времени описывается простым и осмысленным мета-законом. И этот мета-закон радикально отличается от исходной модели - он необратим во времени.

Выходит, что из симметричных во времени законов движения частиц каким-то образом следует необратимый во времени закон неуменьшения энтропии. И таких процессов предостаточно. Разумеется, абсолютное большинство процессов, связанных с жизнедеятельностью живых организмов, относится именно к этой категории.

Вероятности


Попытаемся спуститься ещё на ступеньку ниже. Как уже говорилось, избавиться от случайных флуктуаций нельзя, поскольку движение частиц вероятностное. Что это значит?

Мы берём некоторое явление и создаём условия, лабораторный эксперимент, в котором некоторое явление многократно воспроизводится из разных начальных условий. И замечаем, что есть ряд процессов (назовём их "квантовыми"), результаты которых описываются не точными законами, а вероятностями. Разработаем квантовую механику, которая позволяет рассчитывать плотности вероятностей и, тем самым, давать предсказания о ходе таких процессов.

В этой логике есть две большие логические прорехи. Во-первых, таким образом мы ничего не можем сказать о каждом отдельном эксперименте - только о серии одинаковых экспериментов. Что делать, если объект у нас один - например, Вселенная - совершенно неясно.

А, во-вторых, все эти исследования и эксперименты мы выполняем инструментами, которые считаются неквантовыми. В конце концов, ту самую лабораторию мы считаем обычным, не-вероятностным объектом. И, даже если мы зададимся целью исключить возможные квантовые эффекты от оборудования и лаборатории, у нас ничего не выйдет. Нам придётся построить серию одинаковых лабораторий и заключить их в одну большую мета-лабораторию. Но ведь и мета-лаборатория может иметь квантовые эффекты, правда? Строя все более крупные лаборатории, мы рано или поздно дойдём до необходимости построить несколько Вселенных - а Вселенная-то одна, см. п. 1.

Представим на секундочку, что у нас есть какой-нибудь квантовый объект. Назовём его, скажем, "наблюдатель". Тогда в присутствии этого объекта и в его отсутствие одни и те же физические процессы могут протекать по-разному. WAIT, OH SHI~

Quantum Mind


"Да не, фигня какая-то," - наверняка подумал один из немногих читателей, продержавшихся до этого места. Ну, как тебе сказать, дорогой читатель.

В 2013 году группа японских исследователей обнаружила квантовые вибрации в микротрубочках. Микротрубочки - один из элементов клетки, важнейшая часть нейрона. Тем самым была косвенно подтверждена теория сэра Роджера Пенроуза, изобретателя и главного идеолога гипотезы квантового мозга.

Теории эти появились в конце 80-х и представляли собой попытку объяснить феномен сознания с позиций квантовой теории. По мысли Пенроуза, сознание - результат глубоко скрытых и тщательно настроенных квантовых процессов в мозге. Его теория называется "оркестрированная объектная редукция".

Долгое время от теорий квантового мозга попросту отмахивались, несмотря на то, что их автор многими считается одним из самых сильных ныне живущих специалистов по теории относительности, космологии и математической физике. Действительно, в общем-то, теория сама по себе слаба и противоречива, её предсказания раз за разом не оправдывались. И вот в конце прошлого года в этом месте произошел качественный сдвиг в связи с открытием японских ученых.

Квантовый тупик


Подведём некоторый промежуточный итог. Что мы выяснили из предыдущих частей?

– что "законы физики" описывают реальность только лишь тогда, когда мы знаем начальные условия;
– что начальные условия, мягко говоря, весьма специфичны и, очевидно, сами собой представляют некоторый критически важный "закон";
– что современная физика движется в направлении отрицания п.2 в сторону создания максимально общих законов, работающих для любых начальных условий, и это, с моей точки зрения, бесперспективно;
– что на некоторые вопросы физика ответов не даёт и не стремится дать - это касается, в частности, описания единичных квантовых явлений, которые, оказывается, распространены гораздо шире, чем мы думали обычно.

Из вышеизложенного я легко могу пояснить, почему человеческий мозг невозможно скопировать, воспроизвести или предсказать. Потому что (а) знания "физических законов", по которым работает мозг, недостаточно - нужно ещё уметь воспроизводить начальные условия без ошибок; (б) потому что описание функционирование мозга, да и любого единичного квантового объекта, попросту невозможно в рамках текущих физических представлений. Распределение вероятностей попросту бессмыслено в отсутствие возможности повторять эксперимент множество раз.

Если уж на то пошло, то, по моему мнению, искусственный интеллект как научная дисциплина занимается точно таким же отрицанием реальности, как и физика. История ИИ началась где-то в 40-х годах, и за 70 лет не было создано ничего, что хотя бы отдаленно можно было назвать шагом в сторону Strong AI. Все мы отлично понимаем, что компьютеры для игры в шахматы или "Свою игру" - всего лишь хитроумные алгоритмы плюс вычислительная мощность, а вовсе не настоящий искусственный интеллект; чат-бот, "прошедший" тест Тьюринга - всего лишь программа для обмана судей.

Напоследок - одна теория, которая больше всего тревожит меня в этой истории. Она, очевидно, ненаучна, поскольку по определению нефальсифицируема. Но что-то в ней есть.

Представьте, что никаких законов физики нет. Есть только закон прецедента: если некоторое явление уже происходило в прошлом, то оно будет всегда происходить точно так же в будущем. Если же явление происходит впервые - например, в ходе физического эксперимента - то выбирается какой-то случайный результата, и уже по его образцу будут происходить все последующие эксперименты. Например, опыты Эрдёша могли показать неравенство гравитационной и инертной масс, и мы бы сейчас жили в совсем другой Вселенной.

Бред? Может быть. Но одну вещь он объясняет очень хорошо: чудовищное усложнение современной физики. Бетховен в начале 19-го века писал, что старается быть в курсе достижений современной науки, и ни один научный трактат не бывает слишком сложен для него. А человека, который сегодня мог бы легко читать любые научные статьи хотя бы даже в рамках одной дисциплины (скажем физики), лично я представляю себе с большим трудом.

Немного философии


Попытаемся теперь указать на причины такого положения вещей. Очевидно, у нас есть два выхода из ситуации: занять агностическую точку зрения и постулировать, что указанные вопросы не могут быть решены; либо попытаться найти причину, по которой научная мысль движется в неверном направлении.

Посмотрите на этот вопрос вот под каким углом: мы все привыкли, что физический закон - это некоторое математическое уравнение. Математика описывает идеальные объекты. В мире не бывает идеальных окружностей и прямых, но математика с ними работает. Почему же мы описываем неидеальный мир, в котором не бывает ничего точного и неизменного, с помощью точных и неизменных математических абстракций?

Мне могут возразить, что в любое уравнение всегда можно внести какую-то неопределённость и неидеальность. Но это лукавство: если мы обратимся к основаниям математики, то увидим, что вся математика растёт из теории множеств, которая оперирует самыми что есть идеальными и неделимыми сущностями - множествами и элементами множеств - а не какими-то вероятностыми приближениями. Напротив, теория вероятности растет из теории множеств, а не наоборот.

Этот занятный факт - то, что наше познание мира принципиально происходит в терминах, которые в этом мире никогда не встречаются - очевидно, должен отражать некоторый факт или принцип, который мы не совсем понимаем.

Например, Пифагор (и кое-кто из современных ученых вслед за ним) полагал, что идеальные объекты - геометрические фигуры - существуют в параллельной реальности. Мы не можем видеть или ощущать её, но можем "видеть" её своим разумом. Иными словами, представление об идеальных сущностях - наше внутреннее зрение в мир идеального.

Скажете, какая-то метафизическая ерунда? Не вопрос, попробуйте предложить теорию получше.

Что дальше


Те из уважаемых читателей, кто ещё не бросился писать комментарии в стиле "автор несёт какую-то ересь", возможно, захотят поинтересоваться, что же теперь делать.

Смолин посвящает этому вопросу значительную часть своей книги. Но, увы, объективно это всего лишь пересказ требований к будущей идеальной Теории Всего - что не очень-то помогает написать эту самую теорию. Черты новой теории - она должна (а) говорить о выделенной роли времени, (б) объединять и физические законы, и начальные условия, (в) быть применимой не только к лаборатории, но и к Вселенной в целом, (г) её законы не должны быть абсолютными, а также зависеть от времени.

Я же, впрочем, полагаю, что от этого описания до настоящей теории очень далеко; очевидно, нам нужен прорыв уровня эйнштейновской теории относительности.

Ведь в чем состояла гениальность Эйнштейна? Вовсе не в уравнениях, как указывают многочисленные его критики. Значительную часть теории Эйнштейн позаимствовал из более ранних работ Лоренца, Пуанкаре, Минковского, Маха и других ученых.

Однако, Эйнштейн сумел взглянуть на теорию под другим углом - так, как до него никто этого не делал. История эфира - это, пожалуй, самая показательная история физического заблуждения за всю историю физики. Почему был изобретен "эфир"? Он ведь никак не вытекал из физической теории того времени. Как раз предположения Эйнштейна следовало бы рассматривать как напрямую вытекающие из современной ему физики.

Нет, гипотеза эфира вытекала из самого образа мышления физиков начала 20-го века. Им требовалось простое механистическое объяснение конфликта механики и электромагнетизма - и они его придумали как нечто само собой разумеющееся. Что могло быть естественнее в эпоху, когда авторитетные ученые считали, что в физике уже почти все открыто? Я усматриваю в этом прямую аналогию со струнными теориями, изобретающими скрытые измерения.

Новая "теория всего" должна взглянуть на множество вещей, включая человеческое мышление, под совершенно новым углом; должны исчезнуть различия между идеальным и реальным, между законом физики и системой, которую он описывает. Я не уверен, что это произойдёт при моей жизни.

Подсластим пилюлю


Напоследок немного порадую механицистов и развею одно научно-популярное заблуждение. Недавно на Хабре была статья о теореме Белла, которая столь же непонята как теми, кто ничего о ней не слышал, так и теми, кто читал про неё научно-популярные статьи. Теорема Белла запрещает скрытые переменные - но только лишь локальные скрытые переменные, т.е. привязку какого-то внутреннего "скрытого состояния" к самому объекту. Глобальные скрытые переменные - т.е. наличие некоторого, если угодно, центрального компьютера, который обладает полной информацией о скрытых переменных объекта и способен её скрыто же передавать на любые расстояния - теорией Белла не запрещены.

Несмотря на все вышесказанное, говорить о том, что мы принципиально не может построить Теорию Всего и настоящий искусственный интеллект, всё-таки нельзя (хотя я в эту сторону склоняюсь). Мы можем лишь говорить, что в рамках существующих представлений о физике это невозможно и нам требуется новый радикальный подход к описанию реальности.

Comments Disabled:

Comments have been disabled for this post.

?

Log in

No account? Create an account