Дэвид Дойч «Структура реальности»

Укорот в изложении Евгении Воробьевой

Об авторе и книге

Дэвид Дойч — физик-теоретик. Он один из немногих ученых, чье влияние на наш мир с годами только растет. И, судя по тому, как развиваются наука и технологии, влияние идей Дойча и будет расти и дальше.

Если вы хотя бы иногда пролистываете научные новости, то не можете не заметить, как часто в них мелькают сообщения о квантовых вычислениях, квантовой криптографии или квантовой телепортации.

Квантовые компьютеры берут свое начало в работах Дойча, опубликованных в 1980-1990-е годы. Сегодня технологии совсем близко подошли к реализации идей Дойча.

В своей книге он пишет о структуре реальности, или, если уточнить название книги, — о ткани реальности.

Дойч задается вопросом, можно ли разложить весь наш мир, все бесчисленные научные теории и эксперименты на такое малое число составляющих, чтобы человек их смог охватить. Современная наука — необъятна. Но Дойч считает, что если выделить главное, то структуру реальности почувствовать можно.

В предисловии Дойч пишет: «Наши лучшие теории не только истиннее здравого смысла, но в них гораздо больше смысла, чем в здравом смысле... Я полагаю, что мы сможем достичь величайшего понимания, если будем рассматривать их не по отдельности, а совместно, поскольку они связаны неразделимым образом».

Эта книга вышла 25 лет назад. «Лучшие теории», о которых в ней говорит Дойч, совершенно не устарели. Многое из того, что Дойч предсказывал, сделано. Но мы поговорим об идеях Дойча, которые настолько радикальны, что пока большинство ученых относятся к ним настороженно.

Объяснение

По Дойчу ткань реальности соткана из четырех нитей. Эти нити нам известны по названиям четырех «лучших теорий». Это — интерпретация квантовой механики Хью Эвереттом, теория эволюции Чарльза Дарвина, универсальная машина Тьюринга и теория научных открытий Карла Поппера.

Важнейшее слово во всей книге Дойча — «объяснение». Нам необходимо не только знать, что происходит вокруг, но и уметь объяснять происходящее.

Что такое «объяснение» по Дойчу? Он приводит такой пример. Кеплер на основании астрономических наблюдений пришел к выводу, что орбиты планет — это эллипсы. Это стало знанием, но не было объяснением. Когда Ньютон открыл закон Всемирного тяготения, ему удалось из него математически строго вывести, что орбиты планет — эллипсы. Ньютон ничего про эллипсы не говорил. Но он построил такое понимание мира, в котором движение планет по эллипсам стало неизбежно. С точки зрения Дойча, это объяснение.

Четыре теории, которые перечисляет Дойч, с его точки зрения, это именно объяснительные теории. Это не редукционизм, который сводит, например, существование живого к чисто физическим явлениям. По Дойчу ни к одной из четырех теорий нельзя свести все остальные. А вот все вместе они могут объяснить друг друга исчерпывающим образом.

Например, если в некотором мире верны квантовая физика, теория вычислимости и теория научных открытий, тогда в этом мире обязательно верна и теория эволюции. Три теории полностью объясняют четвертую.

Ни одна из теорий сама по себе не является «золотым стандартом», но все вместе они обеспечивают друг друга, как «свободно конвертируемые валюты».

Хью Эверетт и мультивселенная

Когда Дойч говорит о «равноправии» теорий, он все-таки немного лукавит. Все объяснительные теории равны, но одна все-таки «равнее». Это — квантовая физика. К ней одной не сводятся ни эволюция, ни вычислимость, но без нее обойтись не удается.

Квантовая механика была открыта в 20-е годы XX века. Мы ей постоянно пользуемся. Мы можем рассчитать поведение частиц, ядер, атомов, даже молекул. Но мы плохо объясняем, почему ее уравнения работают. В 1927-м году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Но к ней оставалось много вопросов.

Дойч пишет: «В соответствии с Копенгагенской интерпретацией уравнения квантовой теории применимы только к ненаблюдаемым аспектам физической реальности. В моменты наблюдения вступает в силу иной процесс, который включает прямое взаимодействие между человеческим сознанием и субатомной физикой. Одно конкретное состояние сознания становится реальным, а остальные остаются лишь возможностями... Как физики могли принять такую необоснованную конструкцию за ортодоксальную версию фундаментальной теории, остается вопросом для историков».

Надо сказать, что Копенгагенская интерпретация не устраивала даже ее создателей. Но что же делать, если ничего лучшего нет.

Дойч говорит: «Есть! Эта теория Хью Эверетта!» И объясняет, чем она хороша.

В 1957 году американский физик Хью Эверетт опубликовал статью под названием «Формулировка квантовой механики через „соотнесенные состояния“». В ней Эверетт предлагает рассматривать не «два процесса», как получилось у Бора и Гейзенберга, а только один. Эверетт рассматривал только момент, когда происходит наблюдение. Или, говоря словами Дойча, когда происходит «прямое взаимодействие между человеческим сознанием и субатомной физикой».

В этот момент вероятностное облако, которым является ненаблюдаемый электрон, вдруг коллапсирует в точку, положение которой можно измерить и траекторию начертить.

Теория Эверетта — это не философия. В ней практически только уравнения и расчеты. Она полностью укладывается во все построения квантовой механики. Все выходит вполне строго. Но если мы примем интерпретацию Эверетта, прямо из уравнений квантовой механики следует, что любое взаимодействие с системой приводит к рождению нового мира. У них общее прошлое, но совершенно разное будущее. Эти миры не пересекаются и не взаимодействуют.

Эверетта спрашивали: как же так? В одном мире я умер во младенчестве, в другом меня сбила машина, а в бесконечном количестве миров я вообще не родился, поскольку мои родители не встретились.

Да, именно так, отвечал Эверетт. Он писал в своей статье: «Все „миры“ — являются „действительными“, ни один не более „реален“, чем остальные. Не нужно полагать, что все, кроме одного, так или иначе разрушены, так как все отдельные элементы суперпозиции индивидуально подчиняются волновому уравнению с полным безразличием к присутствию или отсутствию любых других элементов. Это полное отсутствие влияния одной ветви на другую также подразумевает, что никакой наблюдатель никогда не будет знать ни о каком процессе „расщепления“».

Из этого следует, что теорию Эверетта нельзя проверить экспериментом. И он это прекрасно понимал. Большинство физиков это смутило. Но только не Дойча. Он очень высоко оценил теорию Эверетта, и сделал ее основой своего объяснения реальности.

Четыре нити

Дойч пишет, что все четыре фундаментальные теории имеют «пробелы в объяснении». И делает попытку за попыткой эти пробелы устранить. Иногда его рассуждения выглядят убедительными, чаще — вызывают вопросы.

Вот как он объясняет феномен свободы воли с точки зрения интерпретации Эверетта. Свобода воли всегда проявляется как реализованный выбор. Пусть Z говорит: «После тщательного размышления я выбрал сделать X, хотя я мог бы сделать другой выбор». Объяснение выглядит так. Принимая решение и реализуя выбор, Z вступает во взаимодействие с некоторой квантовой системой, а значит, происходит «расщепление» миров. Их возникает очень много. В одних Z сделал выбор, в других он от выбора отказался, а в третьих вообще забыл, что же он собирался выбирать. Все эти миры реальны. Но миров, где выбор сделан, больше. Это и есть свобода воли.

Другой пример. Чтобы объяснить теорию эволюции, нам, во-первых, нужна квантовая механика. Она отвечает за биохимию клетки. Это, безусловно, так, но этого мало. Нам нужна еще и теория вычислимости по Тьюрингу. Здесь можно вспомнить слова великого генетика Крэйга Вентера: ДНК — это софт. То есть живой организм во многом подобен компьютеру, где ДНК — это хранилище программ. С этим тоже можно согласиться. Является ли такое объяснение исчерпывающим? Видимо, нет, поскольку нужно еще объяснить, почему эволюция в целом развивается в сторону усложнения организмов. Можно, наверное, использовать для объяснения направленности эволюции теорию научных открытий Карла Поппера. Но Дойч этого не делает. И видимо, справедливо. Теория нарастания знания здесь выглядит несколько неуместной.

Безусловно, самая убедительная демонстрация того, как одни теории объясняют другие, — это квантовый компьютер.

В работах, выполненных в 1980-1990-е годы, Дойч описал первую квантовую машину Тьюринга. Он строго доказал ее работоспособность, описал квантовые вентили и показал, насколько быстрее обычного компьютера будет работать квантовая машина.

Приведем пример, которого Дойч не знал, когда писал книгу. В 2019 году квантовый компьютер за двести секунд решил задачу, на которую классической машине нужно десять тысяч лет. Примеров таких задач немного, но они уже есть.

Дойч пишет: «Квантовая теория вычисления не была создана только лишь путем выведения принципов вычисления из квантовой физики. Она включает принцип Тьюринга, который уже был, под названием гипотезы Чёрча—Тьюринга, основой теории вычисления. Его никогда не использовали в физике, но я утверждал, что его можно должным образом понять только как физический принцип. Он находится на одном уровне с принципом сохранения энергии и другими законами термодинамики, то есть он являет собой ограничение, которому, насколько нам известно, подчиняются все остальные теории».

Поясним эти слова Дойча. Гипотеза Чёрча—Тьюринга была предложена этими великими учеными в 1930-е годы. Это именно гипотеза, а не теорема. Более того, доказать эту гипотезу нельзя. Это очень странно, поскольку она касается в первую очередь математический логики и теории вычислимости, где принято все доказывать. В 1930-е годы независимо друг друга появилось несколько теорий вычислимости: общерекурсивные функции Гёделя, лямбда-исчисление Чёрча и машина Тьюринга. Все они описывали некоторые классы функций, «которые можно посчитать». Все эти теории разрабатывались для разных задач. Но очень скоро Чёрч и Тьюринг доказали, что объем всех этих теорий совпадает. То есть любую функцию, которую можно посчитать на машине Тьюринга, можно посчитать и с помощью общерекурсивных функций Гёделя, и с помощью лямбда-исчисления Чёрча. Тогда математики сформулировали гипотезу Чёрча—Тьюринга: машина Тьюринга и другие полные системы описывают вообще все, что можно посчитать. Потом появились и другие полные системы. Например, теория нормальных алгоритмов Андрея Маркова. Но было доказано, что она делает в точности то же самое, что и машина ТЬюринга.

Дойч заподозрил, что принцип Чёрча—Тьюринга — это не математическая абстракция, а физический закон, такой же как закон сохранения энергии. То есть сама природа накладывает ограничения на вычисления, которые можно реализовать на классическом компьютере.

Дойч доказал, что квантовый компьютер сможет вычислять такие функции, которые не по силам ни классической машине Тьюринга, ни человеку. То есть Дойч расширил объем вычислимости. Это — выдающийся результат.

Объединить квантовую механику и машину Тьюринга Дойчу удалось. Сегодня мы знаем, что это было великое объединение.

Ткань реальности

Квантовым вычислениям сопутствует безусловный успех. Здесь результаты Дойча останутся навсегда. Сказать то же самое о его «великой объяснительной теории» пока нельзя. Все-таки в ней Дойч попытался свести вместе слишком разные научные теории. К тому же его представления о теории эволюции или философии науки, скажем мягко, неполны. Специалисты в этих областях только пожали плечами. Никто не бросился теорию Дойча развивать и углублять.

Но сама идея построения общего поля знания очень привлекательна. Много раз в своей книге Дойч говорит, что конечной целью его теории является объяснение сознания. Для этого никакая специализированная теория не подходит, а нужно их великое объединение — ткань реальности. И возможно, он прав.

Заинтересовались книгой и хотите прочесть целиком? Скачайте бесплатно на Всенауке.