Квантово-гносеологический метод управления законами физики

Анализируется гипотеза о квантовой суперпозиции законов физики и, на ее основе, рассматривается возможность сознательного выбора объективно реализуемых законов физики в рамках имеющейся неопределенности непознанных законов.

 

Известно, что законы физики и значения фундаментальных констант как бы специально созданы для того, чтобы было возможно появление человека. Сравнительно небольшое изменение этих констант или законов привело бы к тому, что разумная жизнь (во всяком случае, в том виде как мы ее представляем) была бы невозможной. Если выбор существующей комбинации законов и констант произошел в момент большого взрыва в результате квантовой флуктуации (а это следует из теории струн), то речь идет о весьма маловероятном событии. (Подробнее см. статью Рафаэль Буссо и Йозефа Полчински 'Ландшафт теории струн' в журнале 'В мире науки' #12 2004). Другими словами, нам либо очень повезло, либо должно существовать рациональное объяснение такого 'везения'.

Традиционное объяснение этого феномена, называемого атропным принципом, заключается в том, что наша Вселенная не единственная. Существуют и другие Вселенные, в которых комбинации законов и констант другие, но мы заведомо можем существовать только в одной из тех, в которых условия благоприятны для возникновения нашего разума. Поэтому на самом деле никакого 'везения' нет. В иных Вселенных может существовать другая физика, но там нет и не может быть физиков, которые бы могли ее изучать.

Если 'выбор' законов физики в момент большого взрыва явился квантовым событием, квантовой флуктуацией, то на него распространяются квантовые закономерности. Чтобы проиллюстрировать те из них, которые существенны для дальнейших рассуждений, рассмотрим следующий хорошо известный эксперимент по интерференции единичного электрона, проходящего через экран с двумя щелями.

Проходя через этот первый экран со щелями, электроны попадают на второй, взаимодействуя с которым каждая из них образует пятно, положение которого в некоторой степени случайно. Совокупность пятен от большого количества частиц создают интерференционную картину, если электроны проявляют в эксперименте свои волновые свойства. При этом каждый электрон интерферирует сам с собой, проходя через две щели. Однако если попытаться узнать, через какую щель прошел этот электрон, (например, направив на него пучок фотонов, по рассеянию которых можно определить, через какую щель он прошел), то никакой интерференционной картины не получится. И далее, если на пути рассеянных фотонов поставить линзу, которая сделает невозможным определение того, через какую щель прошел электрон, то интерференционная картина восстановится. (Подробнее см. статью Пола Квята и Рейчел Хиллмер 'Самодельный квантовый ластик' в журнале 'В мире науки' #8 2007).

Данный эксперимент можно интерпретировать таким образом, что физические законы, описывающие поведение электрона зависят от наших действий по их познанию в случае данной конкретной частицы. Изначально частице присуща квантовая суперпозиция законов, т.е. она может быть и волной и частицей. Если мы познали (или могли познать), что данный конкретный электрон является частицей, прошедшей через определенную щель, то он и дальше ведет себя как частица.

Мы привыкли к тому, что законы физики - это раз и навсегда установленная данность, неизменная во времени. Квантово-волновой дуализм в некотором смысле является исключением из этого правила. А что если дуализм не исключение, а правило? Если 'выбор' законов произошел в момент большого взрыва, то логично предположить, что они находились в квантовой суперпозиции. Здесь надо пояснить, что имеется в виду под 'выбором законов'. С точки зрения теории струн речь идет о выборе характеристик геометрии, таких как размер ручки или положения мембран, а они однозначно определяют законы физики в таком пространстве и величину основных физических констант. Таким образом, Вселенная подобна частице тем, что также характеризуется определенным набором квантовых состояний.

Но тогда на нее должен распространяться принцип квантовой суперпозиции. До тех пор, пока одно из этих состояний не зафиксировано в результате наблюдения имеет место квантовая суперпозиция всех возможных конкурирующих состояний, т.е. все они одновременно возможны с некоторой вероятностью. Но когда в таком случае происходит это наблюдение и кто является наблюдателем?

Следует заметить, что фиксация квантового состояния в результате наблюдения характерна для классической копенгагенской интерпретации квантовой механики. Альтернативная интерпретация (теория множественности миров), предложенная Хью Эвереттом предполагается, что после наблюдения сам наблюдатель переходит в квантовую суперпозицию. В последнем случае выбор наблюдателя очевиден - это мы, наша цивилизация, поскольку нас интересует тот из множества миров, в котором мы существуем. Впрочем, и в случае копенгагенской интерпретации за наблюдателя следует принять нашу цивилизацию, хотя это не столь очевидно. Тем самым можно придать расширенное толкование атропному принципу. Получается, что Вселенная создана не только так, чтобы мы могли в ней существовать, но она, как бы, создана для нашего познания.

В этом случае для объяснения атропного принципа уже не нужно предполагать существования множества Вселенных с разным набором геометрических характеристик, и, следовательно, с разными законами физики. Достаточно одной Вселенной, в которой изначально могли реализоваться все возможные наборы законов физики, а выбор того из них, который подходит для нашего существования происходит в процессе и вследствие нашего наблюдения этих законов.

Понятно, что фиксация большинства законов должна была произойти до возникновения нашей цивилизации, когда наблюдать было еще не кому. Для электрона в рассмотренном выше примере для разрушения интерференционной картины не требуется фактического определения того, через какую щель он прошел (т.е. работы фотодетектора улавливающего рассеянные фотоны), а достаточно принципиальной возможности такого определения (взаимодействия электрона с пучком фотонов). Аналогично для фиксации законов физики и не требуется их немедленного осознания, достаточно создания условий для их наблюдения в будущем. Следовательно, для фиксации законов достаточно условий для возникновения разумной жизни, которая сможет познать эти законы в будущем. При этом естественно предположить, что фиксируемые законы и выступают в роли таких условий. Тем самым сливаются воедино две стороны расширенного толкования атропного принципа:

1.        Вселенная создана так, чтобы обеспечить возможность нашего существования.

2.        Мы являемся наблюдателем, фиксирующим законы физики.

Таким образом, условием фиксации законов в прошлом является необходимость этих законов для нашего сегодняшнего существования. Однако не все законы могут зафиксироваться таким образом без нашего осознания. Количество состояний Вселенной, которые допускают возможность нашего существования, достаточно велико. Соответственно не все законы необходимы для нашего существования. Для фиксации этих остальных законов их необходимо открыть или создать условия для принципиальной возможности такого открытия (например, собрать экспериментальные данные которые в будущем можно будет использовать для такого открытия).

Из этого следует, что некоторая часть законов может пребывать в состоянии квантовой суперпозиции до настоящего времени. Но в этом случае у нас появляется возможность сознательно влиять на то, какие законы будут зафиксированы. В эксперименте с электроном мы можем захотеть, чтобы электрон повел себя как волна или как частица, и реализовать данное желание, направив или не направив на него пучок фотонов. Аналогично, мы можем сознательно планировать работы по изучению новых законов физики, влияя тем самым на результат.

Сравним данное расширенное толкование атропного принципа с его традиционным толкованием. Важнейшим критерием научности знания является его фальсифицируемость, т.е. принципиальная возможность установить, что знание является ложным, если оно действительно таковым является. Гипотезу о существовании других Вселенных очень трудно проверить. Основным аргумент в ее пользу является атропный принцип, который сам объясняется этой гипотезой, поэтому не годится для ее проверки. Проверка же гипотезы о квантовой суперпозиции законов природы (и сохранении ее до настоящего времени) представляется делом очень сложным, но, все-таки, более реальным.

Соответствующий эксперимент можно в общих словах представить следующим образом.

1.        На основе теории струн или другой теории, претендующей на роль теории всего, прогнозируется, что открытие некоторого закона физики А (аналог определения, того через какую щель прошел электрон) влечет явление В (аналог интерференции).

2.        Выделяются две несвязанные между собой группы физиков.

3.        Первая пытается открыть закон А, и затем проверить явление В.

4.        Вторая проверяет явление В, ничего не зная, о том, верен ли закон А.

5.        Далее, по всей видимости, необходимо уничтожить знание об открытом законе А, и сверить информацию о явлении В так, чтобы можно было определить, совпадает ли результат, но нельзя было определить в каком из двух случаев какой именно результат получен.

6.        Несовпадение результатов означает, что рассматриваемая гипотеза о квантовой запутанности законов физики (а за одно и использованная теория всего) верна.

Уничтожение знания об открытом законе необходимо для обеспечения воспроизводимости эксперимента и, видимо, по принципиальным причинам для выявления именно квантовой суперпозиции. Принципиальная возможность подобного уничтожения в эксперименте с электроном демонстрируется путем постановки линзы, объединяющей пучки фотонов после обеих щелей, что делает невозможным определить, через какую из них прошел электрон.

Более сложный вопрос - как обеспечить связь между знанием закона А и проверяемым явлением В. Видимо, ответить на него можно только решив, о каком законе идет речь. В данный момент важна принципиальная фальсифицируемость рассматриваемой гипотезы.

Таким образом, расширенное толкование атропного принципа представляется более фальсифицируемым, а, следовательно, и заслуживающим внимание, чем традиционное. Если в качестве теории всего используется геометрическая теория типа теории струн, то можно сказать, что физика это геометрия, выбор реализации которой определяется познавательными возможностями нашего разума, который порождается этой физикой. Получается, что всеобъемлющая теория, помимо геометрического и физического, должна включать гносеологический аспект - описывать познавательное поведение нашего разума, которое зависит от геометрии и влияет на нее. Классически выбор возможных реализаций осуществляется из энергетических соображений на основе принципа наименьшего действия. Они не противоречат гносеологическим соображениям. Из энергетических соображений определяются возможные состояния (как локальные энергетические минимумы) и вероятности нахождения в этих состояниях, а гносеологические аспекты определяют фиксацию этих состояний.

Осознание возможности выбора законов резко меняет наши представления о научной деятельности как о процессе, который не может существенно изменить изучаемую объективную реальность. Одним из фундаментальных постулатов современной науки является неизменность законов физики в пространстве и времени. Некоторые авторы даже утверждают, что из нее согласно теореме Нетер следует закон сохранения энергии. (По другим источникам, для этой теоремы необходима инвариантность законов физики относительно изменения направления времени). В рамках рассматриваемой гипотезы мы по-прежнему не можем обнаружить изменение законов в пространстве и времени, но можем обнаружить наличие их квантовой суперпозиции, и имеем, в определенной степени, возможность выбора незафиксированных законов.

Учитывая, что общее количество геометрических характеристик пространства и соответствующих им законов конечно, проводимые научные исследования сокращают возможность такого выбора. При этом могут фиксироваться неблагоприятные с точки зрения дальнейшего развития цивилизации варианты законов. Таким образом, научная деятельность, которая до сих пор воспринималась как однозначно позитивное действие, может иметь абсолютно необратимые для данной цивилизации негативные последствия. При этом сознательные попытки открыть и зафиксировать благоприятный вариант закона могут потерпеть фиаско, если существуют 'токсичные' научные знания. Например, в каком-то архиве хранятся экспериментальные данные, которые противоречат данному благоприятному варианту и фиксируют неблагоприятный. И хотя об этих данных, возможно, все забыли, их существование сохраняет принципиальную возможность их повторного анализа и обнаружения противоречия.

С другой стороны, существует принципиальная возможность восстановить квантовую суперпозицию законов, уничтожив информацию об открытиях. Наверное, некоторым исследователям знакома ситуация, когда тот или иной эксперимент долгое время по непонятным причинам 'не идет', а затем вдруг все получается, без значимых изменений в его постановке, и стабильно воспроизводится в дальнейшем. Может быть иногда (очень редко) подобное происходит из-за того, что кто-то где-то уничтожил архив?

Тогда становится понятным отсутствие сигналов от других цивилизаций. Видимо, 'братья по разуму' понимают, что обмен научными знаниями вовсе не безопасен и может иметь негативные последствия, как для них, так и для нас, ведь у нас с ними могут быть разные представления о том, какие законы благоприятны. Кстати, не открытые законы природы можно рассматривать как наиболее важный и самый исчерпаемый ресурс развития цивилизации, расходование которого определяет темп ее развития и глобальную численность населения. Сообщить цивилизации научные знания извне - значит, искусственно ее состарить, что для этой цивилизации плохо. Но это уже отдельная тема...

Проблема сосуществования в одной Вселенной с другими цивилизациями для рассматриваемой гипотезы является одной из самых сложных. С одной стороны, каждая цивилизация вроде бы может зафиксировать свой набор законов. Но, с другой стороны, принципиальная возможность обмена научной информацией, даже сознательно не используемая этими цивилизациями, должна этому помешать. С точки зрения теории множественности миров эта проблема решается просто - каждая цивилизация порождает свою Вселенную. В классической интерпретации все гораздо сложнее. Радикальным решением этой проблемы был бы фундаментальный принцип, подобный запрету Паули, гласящий, что другого разума в во Вселенной быть не может. Однако надо признать, что у автора пока нет исчерпывающего решения данного парадокса.