Ali zavest povzroča kvantni kolaps?

Kelvin McQueen sprašuje, ali bi um lahko neposredno vplival na fizično resničnost.

Splošno priznano je, da obstaja problem razlage, kako lahko subjektivna, zavestna izkušnja izhaja iz fizične materije. Poudarek je na splošno na smeri od snovi do zavesti. Toda obstaja enako zagoneten problem, ki gre v drugo smer. Kakšne vzročne učinke ima zavest na fizično snov? Skratka, kaj počne zavest? Bil sem jezen, ko sem videl, kaj so naredili. Nisem mogel verjeti, da bodo naredili kaj takega.

Priljubljen pogled v filozofiji duha je fizikalizem. Fiziki verjamejo, da so um samo možgani. Tako na primer določena izkušnja, kot je srbečica ali vizualna izkušnja rdeče barve, ne bi bila nič drugega kot elektrokemični procesi v možganih. Manj priljubljen pogled je dualizem. Dualisti verjamejo, da sta um in možgani različna. S tega vidika je zavestna izkušnja nekaj poleg možganskih procesov, ki jo spremljajo, nekaj nefizičnega. Tako sem sita svojega dela. To počnem že leta in sem že prebolel. Kot da se vsak dan zbudim in se bojim, da moram iti v službo. Sovražim svojega šefa, sovražim svoje sodelavce, sovražim stranke. Počutim se, kot da tega ne zmorem več. Vsak dan se zbudim in se bojim iti v službo. Moj šef je kreten, moji sodelavci so idioti, stranke pa so najslabše. To delo opravljam že leta in sem ga tako prebolel. Čutim, da tega ne zmorem več.

Fizikalisti verjamejo, da je sodobna znanost ovrgla dualizem. Trdijo, da vsi naši dokazi kažejo, da je fizični svet vzročno zaprt sistem in zato ni prostora za nefizične misli, da bi kar koli naredili. Na primer, zavestna želja po pivu povzroči, da Jones odide do hladilnika. Jonesov obisk hladilnika vključuje premikanje velike mase delcev. Če bi bil dualizem resničen, bi te delce premaknilo nekaj nefizičnega. Toda v fizikalnih znanostih zakoni, ki urejajo gibanje delcev, ne dopuščajo takšnim zunanjim silam prostora za premikanje delcev. Zato je dualizem napačen. To je znano kot argument vzročnega zaključka.

Toda natančna analiza sodobne fizike kaže, da stvari niso tako preproste. Po odkritju kvantne mehanike je več uglednih fizikov predlagalo, da ima zavest temeljno vlogo pri upravljanju gibanja delcev. Da bi ugotovili, zakaj so podali ta predlog, moramo najprej razumeti problem, ki so ga poskušali rešiti: problem merjenja.

Problem merjenja

Ortodoksno formulacijo kvantne mehanike je mogoče najti v knjigi Johna von Neumanna iz leta 1932. Zmedeno je, ker dobesedno prebrano postulira dva temeljna zakona narave, ki se zdita nedosledna. Prvič, tu je zakon, ki ga opisuje Schrödingerjeva enačba . Ta zakon je determinističen: Schrödingerjeva enačba omogoča izračun natančnega fizičnega stanja sistema (tj. njegove valovne funkcije) pozneje glede na fizično stanje tega sistema v nekem prejšnjem času. Drugič, tu je zakon, ki ga opisuje postulat kolapsa . Ta zakon ni determinističen, temveč verjetnostni: postulat kolapsa samo dodeljuje verjetnosti možnim prihodnjim stanjem fizičnega sistema glede na njegovo trenutno stanje. (Te verjetnosti odražajo objektivno naključnost v naravi.)

Nobenega fizičnega sistema ne moreta hkrati upravljati oba zakona, saj se noben fizični sistem ne more razvijati deterministično in nedeterministično hkrati. To postavlja vprašanje, pod kakšnimi pogoji je fizični sistem urejen s posameznimi zakoni? Pravoslavje ponuja izhod iz te potencialne nedoslednosti: sistem se bo deterministično razvijal v skladu s Schrödingerjevo enačbo, če in samo če se ne meri; in sistem se bo razvijal nedeterministično v skladu s postulatom kolapsa, če in samo če je ki se meri. Vendar pa ni jasno, kaj točno je mišljeno z 'izmerjeno', od tod tudi ime 'merski problem'.

Ta problem se še poslabša, če upoštevamo fizična stanja kvantnih sistemov. Merjenje ne povzroči le, da se izmerjeni sistem nenadoma razvije naključno; zdi se, da spreminja samo naravo sistema. Kajti kvantna mehanika običajno ne opisuje delcev, ki se nahajajo na določenih točkah v prostoru. Namesto tega omogoča, da se en delec nahaja na več lokacijah hkrati. V takšnih primerih rečemo, da je delec 'v superpoziciji več lokacij'. Ko izmerimo lokacijo delca, naj bi se njegova superpozicija 'zrušila', tako da delec naključno skoči na samo eno lokacijo. To je prikazano v razvpitem eksperimentu z dvojno režo.

Eksperiment z dvojno režo

V tem poskusu se elektroni enega za drugim sprožijo proti fluorescentnemu zaslonu. Ko elektron zadene zaslon, mesto, kamor zadene, zasveti, kar nam omogoča, da izmerimo lokacijo elektrona. V dejanskem eksperimentu pot do zaslona blokira stena z le dvema tankima režama. Potem ko je veliko elektronov izstreljenih proti steni, vzorec madežev, ki nastane na fluorescenčnem zaslonu, nista dva pasova madežev, ki ustrezata dvema režama, kot bi lahko pričakovali. Namesto tega gre za interferenčni vzorec (v grobem veliko pasov pik, zaradi česar je zaslon videti kot telo zebre). Še bolj nenavadno je, če na reže postavimo dodatne merilne naprave, da izmerimo, skozi katero režo gre posamezen elektron, potem ugotovimo, da gre vsak delec skozi samo eno režo, vendar nato najdemo samo dva pasova pik na fluorescenčnem zaslonu, ki ustrezata dvema reže, namesto interferenčnega vzorca, ki smo ga videli prej.

Za razumevanje ortodoksnega prikaza teh rezultatov lahko pomaga analogija. Predstavljajte si, da ta poskus delno potopite v vodo. Namesto da bi izstrelili delce proti zaslonu, spustimo kamen in pošljemo vodni val proti zaslonu. Kaj se zgodi, ko valovanje zadene steno z dvema režama? Nekaj ​​ga je odklonjeno nazaj, vendar iz vsake reže izvirata dva nova valovanja in potujeta proti zaslonu. Ko se ta dva nova valovanja razširita, udarita drug ob drugega, preden zadeneta zaslon. Če je zaslon zasnovan za zaznavanje intenzivnosti vodnih valov, bo valovanje vplivalo na vzorec na zaslonu. To je analogno temu, kako ortodoksija razlaga vzorec interference.

Razmislite o poti enega elektrona. Strelja se proti steni. Kot predvideva Schrödingerjeva enačba, se razteza (kot valovanje). Nato ima komponento, ki izhaja iz ene reže, in komponento, ki izhaja iz druge reže: elektron je v superpoziciji, da gre skozi obe reži. Ti dve komponenti se nato razširita in medsebojno delujeta (interferirata). Elektron nato vstopi v superpozicijo in zadene več lokacij na zaslonu. Teh več lokacij ustreza interferenčnemu vzorcu.

Ena točka, ki sveti na zaslonu, je meritev lokacije enega elektrona. Med merjenjem postulat kolapsa prevzame Schrödingerjevo enačbo. Skladno s tem se širjenje superpozicij ustavi in ​​elektron se naključno sesede na eno samo lokacijo na zaslonu, pri čemer ostane samo eno mesto na zaslonu, ki ga lahko vidimo. Torej en elektron ne more ustvariti interferenčnega vzorca. Toda ko pošiljamo več elektronov skozi, nastane interferenčni vzorec. Če zdaj na reže postavimo dodatne merilne naprave, potem vsak elektron zgodaj kolabira in gre tako samo skozi eno režo. Če elektroni niso v superpoziciji, da gredo skozi obe reži, potem ni interference in zato ni interferenčnega vzorca.

Zdi se torej, da meritve naredijo dvoje: spremenijo samo naravo fizičnih sistemov s pretvorbo njihovih 'valovnih' superpozicij v znana 'delcem podobna' stanja; in povzroči resnično naključno obnašanje v tem, kar se meri (ker je prehod val v delce naključen).

Hipoteza 'Zavest povzroči kvantni kolaps'.

Zakaj je to problem? Razlog je v tem, da meritev ni videti kot dober kandidat za temeljni fizikalni proces – kaj točno šteje kot meritev? Tako so mnogi poskušali popolnoma brez postulata kolapsa in pustili, da se superpozicije razširijo v skladu s Schrödingerjevo enačbo. To pomeni, da po pošiljanju samo enega elektrona zaslon preide v superpozicijo zaznavanja enega elektrona na več mestih. Človeški opazovalec nato pogleda na zaslon in vstopi v superpozicijo doživljanja točke na eni točki na zaslonu, točke na drugi točki in tako naprej. Zagovorniki tega pogleda to razlagajo kot človeški opazovalec, ki se razdeli na več opazovalcev, od katerih vsak vidi drugo mesto. Ker je vsak v interakciji z okoljem, se tudi okolje razcepi. To je tako imenovana mnogosvetovna interpretacija kvantne mehanike, ki je med fiziki postala precej priljubljena. Čeprav je skladna s fizikalizmom, je to radikalna hipoteza. Vendar ima vsaka rešitev problema merjenja radikalne posledice.

Drugo razmišljanje ohranja, vendar revidira postulat propada. Zdaj ortodoksna formulacija kvantne teorije ponuja najmočnejši algoritem za napovedovanje eksperimentalnih rezultatov v vsej zgodovini fizike. Ne glede na to, kako ga revidiramo, moramo paziti, da ohranimo to napovedno moč. To pomeni zagotoviti, da se kolapsi zgodijo, ko se morajo (npr. preden opazovalec oblikuje vizualno izkušnjo zaslona) in se ne zgodijo, ko se ne bi smeli zgoditi (npr. neizmerjeni elektroni običajno ne kolapsirajo med potovanjem skozi dvojno režo aparat).

Eden od načinov za to je, da ohranimo postulat kolapsa, vendar nadomestimo 'merjenje povzroči kolaps' z 'zavestno opazovanje povzroči kolaps'. To zamisel je predlagalo več fizikov v zgodnjih dneh kvantne mehanike. Leta 1939 sta Fritz London in Edmond Bauer zapisala: Meritev je dosežena šele, ko je položaj kazalca [ali točke na fluorescentnem zaslonu] določen. opazili . […] Opažamo bistveno vlogo, ki jo ima pri tem prehodu zavest opazovalca. Nobelov nagrajenec Eugene Wigner je leta 1961 po navdihu Londona in Bauerja zapisal: Ko se je področje fizikalne teorije razširilo na mikroskopske pojave z ustvarjanjem kvantne mehanike, je koncept zavesti spet prišel v ospredje: ni bilo mogoče dosledno oblikovati zakone kvantne mehanike brez sklicevanja na zavest.

Vendar ta osnovni predlog ni bil nikoli v celoti razvit. Namesto tega so ga uvedli po znanstveno neuporabnih mističnih poteh in danes ga fiziki običajno zavračajo. Menim, da obstajajo trije glavni razlogi, zakaj ga fiziki zavračajo:

Ugovor 1

Pojem 'zavest' je slabo definiran. Hipoteza ne more rešiti problema merjenja, saj je 'zavest' tako slabo definirana kot 'merjenje'. Zato ne more ponuditi novih napovedi, ki bi jih bilo mogoče preveriti.

Ugovor 2

Fizični opisi se ne smejo razlikovati glede na to, kdo je opazovalec. To še posebej velja v luči dejstva, da so opazovalci razmeroma novi v vesolju – potrebne so bile milijarde let, da se je na Zemlji pojavila prva žival. Ta hipoteza krši to zahtevo.

Ugovor 3

Hipoteza ni skladna s fizikalizmom, prevladujočo temeljno predpostavko v filozofiji. Namesto tega zahteva nekakšen zastarel dualizem duha in telesa, ki so ga ovrgli filozofi.

To so razumni ugovori. Vendar menim, da je glede na nedavni razvoj nevroznanosti nanje mogoče odgovoriti.

Nov učinek valovanja (samo za šalo!)

Odgovori na ugovore

Nedavne raziskave v nevroznanosti kažejo, da je zavest povezana z možganskimi regijami, katerih nevroni delujejo skupaj na usklajen način. Primerjaj male možgane z velikimi možgani. Mali možgani vsebujejo veliko več nevronov, vendar niso v pomembni korelaciji z zavestjo (npr. odstraniti jih je mogoče, ne da bi pri tem povzročili veliko škodo posameznikovemu toku zavesti). Veliki možgani vsebujejo razmeroma malo nevronov, vendar so v veliki korelaciji z zavestjo. Kaj je ključna razlika? No, sondirajte podregijo malih možganov in to bo imelo majhne posledice za druge podregije malih možganov. Nasprotno pa sondirajte podregijo možganov in to bo motilo dogajanje v drugih podregijah možganov. Nekateri nevroznanstveniki verjamejo, da bo matematično natančna mera te vrste vzročne medsebojne povezanosti definirala fizične korelate zavesti. Takšna formula bi nam omogočila, da za kateri koli možni fizični sistem izmerimo, ali je zavesten in v kolikšni meri.

Da odgovorimo na ugovore, lahko ostanemo nevtralni glede pravilne mere te medsebojne povezanosti – potrebujemo le predpostavko, da obstaja je pravo mero. Bo pa koristno imeti ilustracijo na mizi. V skladu s teorijo integriranih informacij (IIT) Guilia Tononija je pravilna mera mera integriranih informacij fizičnega sistema (Φ). [Za podroben prikaz Integrirane informacijske teorije in Φ mere zavesti glej Članek Hedde Hassel Mørch v tej številki.]

Zato uporabimo to idejo, da odgovorimo na ugovore hipotezi o 'zavesti povzroči kvantni kolaps':

Odgovor na ugovor 1

Ta ugovor zahteva od hipoteze preverljive napovedi. Z vključitvijo IIT naša hipoteza o 'zavesti povzroči kolaps' postane hipoteza, da integrirana informacija (merjena kot Φ) povzroči kolaps. Bistveno je, da je Φ matematično natančna količina, ki jo je načeloma mogoče izračunati za kateri koli možni fizični sistem. Tako naša hipoteza zdaj ustvarja natančne in značilne eksperimentalne napovedi.

Ponovno razmislite o eksperimentu z dvojno režo. Ta poskus je pokazal interferenčne vzorce pri sprožanju kompleksnih molekul, kot je Buckminsterfulleren (vsaka je sestavljena iz šestdesetih ogljikovih atomov) skozi reže. Fiziki delajo na poskusih z vedno bolj zapletenimi sistemi, ki se sprožajo skozi reže. Lahko bi si predstavljali, da bi poskus izvedli dvakrat, z dvema različnima skupinama nanoračunalnikov. Člani ene skupine so programirani z visokim Φ. Člani druge skupine (kontrolne skupine) so programirani z malo ali nič Φ. Če le slednja skupina odkrije interferenčni vzorec, potem (če je IIT resnična) bo hipoteza o kolapsu, ki povzroči zavest, eksperimentalno potrjena.

Odgovor na ugovor 2

Drugi ugovor zahteva, da obstaja samo en objektiven opis realnosti, ne pa ločen (a enako veljaven) opis za vsakega opazovalca. Ta izziv je izpolnjen, ker hipoteza pomeni le, da se opis realnosti včasih spreminja skozi čas zaradi prisotnosti Φ. Ta sprememba opisa skozi čas je objektivna, ker bi se morali o njej strinjati vsi opazovalci.

Eden od razlogov za to, da fizikalni opisi niso odvisni od opazovalcev, je ta, da želimo, da fizika opisuje zgodnje vesolje, preden je bilo opazovalcev. Morda je videti, kot da naša hipoteza pomeni, da se je vesolje nenadoma sesulo, takoj ko je Zemlja začela kaliti zavestna bitja. To bi bilo problematično iz različnih razlogov. Na srečo glede na IIT to ni posledica. Kajti IIT zavrača antropocentrično idejo, da je zavest lastnost samo ljudi in človeku podobnih bitij. Tudi posamezni atomi in molekule imajo majhne količine Φ. Pod pogojem, da niso komponente sistemov z večjimi količinami Φ, IIT pomeni, da imajo majhne količine zavesti. Torej lahko pričakujemo, da so se kvantni kolapsi zgodili precej zgodaj v zgodovini vesolja, čeprav bi bila njihova moč in pogostost takrat manjša. (Čeprav podrobnosti presegajo obseg tega dela, bo popolnoma dosledna teorija zahtevala, da sta moč in pogostost zrušitve sorazmerni s Φ.)

Odgovor na ugovor 3

Ponovno se pojavlja Schrödingerjeva mačka!

Obstajata dva možna odgovora na ugovor, da naša hipoteza ni fizikalistična, glede na to, da sta na voljo tako fizikalistična kot dualistična interpretacija naše hipoteze. Fizikalistična interpretacija takoj izpolnjuje fizikalistične zahteve! V fizikalistični interpretaciji zavest sploh ni omenjena. Namesto tega je fizični korelat zavesti (Φ) tisti, ki povzroči kolaps. Zakoni nato pravijo, da so sistemi z zadostnim Φ tisti, ki sprožijo kvantni kolaps. To je skladno s fizikalizmom.

Vendar pa je v fizikalistični interpretaciji nekaj nerodnega. Φ ni temeljna lastnost materije, je lastnost na visoki ravni številnih vzročno povezanih komponent. Oblikovanje temeljnega zakona narave v smislu netemeljne lastnosti na visoki ravni se zdi čudno. Toda še huje, zakaj je lastnost na visoki ravni, ki povzroči propad, tudi korelat zavesti? V fizikalistični interpretaciji je to videti kot bizarno naključje. Takšna razmišljanja nas potiskajo k dualistični razlagi, na kateri je zavest temeljna.

Po dualistični interpretaciji zavest, ne Φ, povzroči propad, Φ pa je samo merilo zavesti. Ta razlaga bo morala nekako zavrniti ugovor 3, morda tako, da pokaže, da temelji na zmoti. In obstaja razlog za domnevo, da je. Številni fiziki zavračajo dualistično razlago preprosto zato, ker je odvisna od ideje – dualizma –, ki je na splošno obravnavana kot diskreditiran ostanek Descartesovih čudnih teorij iz 17. stoletja. Argument, ki naj bi diskreditiral dualizem, lahko formuliramo takole:

(1) Vse, kar se zgodi v fizičnem svetu, je mogoče razložiti s fizičnimi vzroki.

(2) Zato je nemogoče, da bi nefizična zavest povzročila, da bi se karkoli zgodilo v fizičnem svetu.

To nas pripelje bodisi do fizikalizma bodisi do neprijetnega zaključka, da um nima vpliva na fizični svet: človekove misli ne povzročijo njegovih besed, človekova bolečina ne povzroči, da bi zajokal. Mnogi filozofi to vidijo kot močan argument proti dualizmu.

Filozofi podpirajo (1) s trditvijo, da se fizične teorije nikoli ne potrebujejo, da bi se v svojih vzročnih zakonih sklicevale na zavest. Toda kateri fizični vzroki pojasnjujejo kolaps? Ne vemo, zato (2) dejansko ni podprt. Obstaja torej nenavaden pojav, v katerem fiziki zavrnejo dualistično razlago s sklicevanjem na filozofijo in nato nadaljujejo z oblikovanjem fizikalističnih rešitev problema merjenja (npr. razlaga mnogih svetov); medtem pa filozofi zavračajo dualizem s sklicevanjem na takšne fizikalne teorije (in zlasti na dejstvo, da zakoni teh teorij ne omenjajo zavesti). Če je argument za fizikalizem to, potem je zlobno krožen.

Zaključek

Skratka, hipoteza o 'zavesti povzroči kvantni kolaps' – vsaj v kombinaciji s sodobno nevroznanostjo – je izvedljiva teorija fizične in duševne resničnosti, ki ponuja jasen raziskovalni program in značilne eksperimentalne napovedi. Predlaga rešitev merilnega problema z opredelitvijo, kdaj in kje pride do zrušitve. In zagotavlja prostor zavesti v naravi tako, da daje zavesti vzročno vlogo. Razvijanje te teorije nam lahko omogoči odgovor na še globlja vprašanja; vprašanja, kot sta, zakaj zavest povzroča kolaps in zakaj zavest sploh obstaja.

Kelvin McQueen je doktoriral na Avstralski nacionalni univerzi pod mentorstvom Davida Chalmersa. Zdaj je docent za filozofijo na univerzi Chapman v Kaliforniji.