Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики
Шрифт:
В действительности, можно указать, по крайней мере, одно место, где чисто квантовые явления имеют принципиальное значение для нервной деятельности, — это сетчатая оболочка глаза. (Вспомним, что сетчатка фактически входит в состав мозга!) Эксперименты с жабами показали, что в подходящих условиях адаптированная к темноте сетчатка вырабатывает макроскопический нервный импульс при попадании на нее единичного фотона(Бэйлор и др. [1979]). То же, как выясняется, справедливо и для человека (Хехт и др. [1941]), хотя в этом случае существует дополнительный механизм, который подавляет подобные слабые сигналы, тем самым очищая воспринимаемое изображение от лишнего визуального «шума». Необходимо суммарное воздействие примерно семифотонов, чтобы адаптировавшийся к темноте испытуемый мог его ощутить. Тем не менее, в нашей сетчатке, по-видимому, все-таки есть клетки, чувствительные к попаданию только одного фотона.
Поскольку в теле человека существуютнейроны, способные срабатывать под воздействием единичного квантового события, то вполне обоснован вопрос о наличии таких клеток где-нибудь в основных отделах мозга. Насколько мне известно, это предположение
Но даже при таком положении вещей роль квантовой механики оказалась бы чисто номинальной, поскольку квант используется просто как возбудитель сигнала. Никаких интерференционных эффектов, характерных для квантовых явлений, пока обнаружить не удалось. Похоже, что в лучшем случае все, что мы можем получить от квантовой механики, это неопределенность момента срабатывания нейрона. Трудно представить, как это может пригодится нам на практике.
Однако некоторые вопросы, имеющие к этому отношение, не так тривиальны. Для их рассмотрения обратимся вновь к сетчатой оболочке глаза. Предположим, что фотон попадает на сетчатку, предварительно отразившись от полупрозрачного зеркала. Состояние фотона тогда будет представлять собой сложную линейную суперпозицию состояний, когда он попадает в клетку сетчатки и когда он проходит мимо клетки и вместо этого, скажем, улетает через окно в космос (см. рис. 6.17) В тот момент, когда он мог быпопасть в клетку сетчатки, до тех пор, пока выполняется линейная процедура U(т. е детерминированная эволюция вектора состояния по уравнению Шредингера, см. Глава 6. «Эволюционные процедуры Uи R»), мы получим сложную линейную суперпозицию наличия и отсутствия нервного сигнала. Когда это доходит до сознания наблюдателя, воспринимается только однаиз этих двух альтернатив, и должна использоваться другая квантовая R– процедура(редукция вектора состояния, см. Глава 6. «Эволюционные процедуры Uи R»). (Говоря так, я сознательно обхожу стороной теорию множественности миров, которая имеет множество своих собственных проблем!) В соответствии с рассуждениями, приведенными в конце предыдущей главы, нам следует задать вопрос, достаточное ли количество материи вовлекается в прохождение сигнала, чтобы удовлетворялся одногравитонный критерий(см. главу 8)? Хотя при преобразовании энергии фотона в энергию движения массы при выработке сигнала в сетчатке достигается действительно гигантское усиление, возможно, до 10 20 раз, эта масса все же значительно меньше величины планковской массы m Рl (примерно в 10 8 раз). Однако нервный сигнал создает регистрируемое изменяющееся электрическое полев окружающей среде (тороидальное поле с осью, совпадающей с нервным волокном, по которому оно перемещается). Это поле может вносить в окружающую средузначительное возмушение, за счет чего одногравитонный критерий будет легко удовлетворен. Таким образом, в соответствии с изложенной мной точкой зрения, R– процедурамогла бы выполняться задолго до того, как мы увидим или, может случиться, не увидим вспышку света. К тому же, для редукции вектора состояния наше сознание не требуется!
Квантовые компьютеры
Если мы все-такипредположим, что чувствительные к одиночным квантам нейроны играют важную роль где-то в глубине нашего мозга, то возникает вопрос, какие следствия это могло бы иметь. Для начала я изложу концепцию квантового компьютера, предложенную Дойчем (см. также главу 4 «Сложность и вычислимость в физических объектах»), а затем мы выясним, можно ли ее рассматривать как имеющую отношение к теме нашей дискуссии.
Как было указано выше, главная идея состоит в использовании квантового параллелизма, в соответствии с которым два совершенно различных процесса должны рассматриваться как происходящие одновременно в виде квантовой линейной суперпозиции, например, фотон одновременно отражается от полупрозрачного зеркала и проходит через него или один и тот же фотон проходит через каждую из двух щелей. В случае квантового компьютера этими двумя различными наложенными друг на друга процессами будут два различных вычисления. При этом предполагается, что нас интересуют результаты не обоихвычислений, а некий результат, основанный на частичной информации, полученной из суперпозиции этих процессов. Наконец, когда оба вычисления завершены, над этой парой процессов должно быть проведено соответствующее «наблюдение», позволяющее получить искомый ответ [211] . Таким образом, это устройство могло бы сэкономить время за счет выполнения двух вычислений одновременно! До сих пор не видно никакого значительного преимущества от использования такого подхода, поскольку было бы гораздо проще непосредственно использовать два классических компьютера параллельно (или один классический параллельный компьютер), чем один квантовый. Однако реальные преимущества квантового компьютера могли бы проявиться при необходимости выполнить очень большое, возможно, неограниченно большое, количество параллельных вычислений, когда нас интересуют не их результаты сами по себе, а только подходящая комбинация результатов всех вычислений.
211
Дойч в своих описаниях предпочитает использовать подход «множественности миров» относительно квантовой теории. Однако важно понимать, что это совершенно не существенно, поскольку концепция квантового компьютера принципиально
Принципиальное устройство квантового компьютера предполагает использование квантовой разновидности логических элементов, у которых выходной сигнал является результатом «унитарной операции» над входным сигналом — операции типа U, — и вся работа компьютера состояла бы в выполнении операции Uдо самого конца вычислений, пока конечный «акт наблюдения» не приведет к выполнению операции R.
Согласно выводам Дойча квантовые компьютеры не предназначены для выполнения неалгоритмических операций (т. е. действий, выходящих за пределы возможностей машины Тьюринга), но способны в некоторых, очень специфических случаях, достигать более высокого быстродействия (в смысле теории сложности, см. Главу 4. «Сложность и вычислимость в физических объектах»), чем обычная машина Тьюринга. Для такой блестящей идеи эти выводы представляются довольно неутешительными, но будем помнить о том, что пока мы стоим у самых истоков.
Какое отношение все это может иметь к работе мозга, содержащего значительное число нейронов, чувствительных к единичным квантам? Провести аналогию здесь мешает в первую очередь то, что квантовые эффекты быстро теряются в «шуме» — мозг слишком «горяч», чтобы квантовая когерентность (поведение, которое удобно описывать как непрерывное действие U) сохранялась в нем сколько-нибудь продолжительное время. В моей терминологии это означало бы, что постоянно удовлетворяется одногравитонный критерий, так что операция Rвыполняется все время, изредка прерываясь операцией U.
Таким образом, пока у нас нет повода слишком надеяться на то, что квантовая механика откроет нам нечто новое о мозге. Возможно, мы все обречены быть просто компьютерами! Лично я в это не верю, но для окончательного выяснения вопроса нам необходимо идти дальше в наших исследованиях.
За пределами квантовой теории?
Я хочу вновь обратиться к вопросу, который проходит красной нитью через большую часть этой книги: действительно ли наши представления об окружающем мире, управляемом законами классической и квантовой физики в их современном понимании, адекватны для описания мозга и разума? «Обычное» квантовое описание нашего мозга определенно заходит в тупик, поскольку акт «наблюдения» считается важной составляющей правильной интерпретации общепринятой квантовой теории. Следует ли считать, что мозг «наблюдает сам себя» каждый раз при осознанном восприятии или возникновении мысли? Общепринятая теория не дает нам никаких указаний на то, каким образом квантовая механика могла бы принять это в расчет и, тем самым, как применить ее к мозгу в целом. Я попытался сформулировать вполне независимый от сознания критерий включения операции R(«одногравитонный критерий»), и если нечто подобное удалось бы развить до полностью согласованной теории, то появилась бы возможность построения более ясного квантового описания мозга, чем существующее ныне.
Однако я считаю, что эти фундаментальные проблемы возникают не только при наших попытках описать деятельность мозга. Работа самих цифровых компьютеров существенно зависит от квантовых эффектов, пониманию которых, по-моему мнению, мешают трудности, внутренне присущие квантовой теории. Что это за «существенная» квантовая зависимость? Чтобы понять роль квантовой механики в цифровых вычислительных машинах, мы, прежде всего, должны выяснить, как можно заставить полностью классическийобъект вести себя подобно цифровому компьютеру. В главе 5 мы рассматривали классический «компьютер из биллиардных шаров» Фредкина — Тоффоли (см. Глава 5. «Вычислима ли жизнь в бильярдном мире?»); но, как мы видели, в этом теоретическом «устройстве» были использованы идеализации, позволяющие обойти проблему существенной нестабильности, внутренне присущей классическим системам. Эта проблема нестабильности, как указано выше (рис. 5.14), проявляется в эффективном увеличении фазового объема эволюционирующей системы, которое почти неизбежно приводит к непрерывной потере точности операций, выполняемых классическим устройством. Именно квантовая механика позволяет в конце концов остановить это снижение точности. В современных электронных компьютерах необходимо существование дискретных состояний (скажем, для записи цифр 0 и 1 ), всегда позволяющих однозначно установить, когда компьютер находится в одном, а когда в другом состоянии. Это выражает саму суть «цифровой» природы компьютерных операций. Эта дискретность, в конечном счете, достигается за счет квантовой механики. (Мы можем вспомнить здесь квантовую дискретность энергетических состояний, спектральных частот, значений спина и т. д., см. главу 6.) Даже старые механические вычислительные машины зависели от прочности различных своих частей, каковая, в свою очередь, непосредственно вытекает из дискретности квантовой теории [212] .
212
Этот комментарий перестает быть правомерным, если мы рассматриваем в качестве «классических» компонентов системы шестеренки, оси и т. п. Я предполагаю, что система состоит из обычных (скажем, точечных или сферических) частиц.
Но квантовая дискретность не является только следствием операции U. Пожалуй, уравнение Шредингера в еще меньшей степениспособно предотвратить нежелательное расплывание фазового объема и «потерю точности», чем уравнения классической физики! Согласно U, волновая функция изолированной частицы, изначально локализованная в пространстве, будет все больше и больше расплываться с течением времени (см. Глава 6. «Эволюционные процедуры Uи R»). Если бы не действие Rвремя от времени, более сложные системы тоже были бы подвержены такой беспричинной делокализации (вспомним кошку Шредингера). ( Дискретныесостояния атома, например, характеризуются определенными значениями энергии, импульса и полного момента импульса. Общее состояние, которое как раз «расплывается», представляет собой суперпозицию таких дискретных состояний. Именно процедура Rна некотором этапе заставляет атом на самом деле «быть» в одном из этих дискретных состояний.)