Шведско-американский профессор физики Макс Тегмарк наиболее известен в мировом научном сообществе как специалист по космологии. Однако темперамент, общая широта жизненных интересов и фотогеничная внешность ученого сделали его частым персонажем научно-популярных ТВ-передач и своего рода «медийным лицом» американской науки вообще.
До какой степени это обстоятельство повлияло на обостренное внимание Тегмарка к тайнам сознания, сказать затруднительно, но сам факт активного интереса физика к данной теме является бесспорным. Достаточно сказать, что по поводу теории «квантового разума» Пенроуза-Хамерофа этот теоретик провел в свое время специальное исследование и опубликовал в 2000 году статью с разгромной критикой «объективной редукции» в мозге [Tegmark, M. (2000). «Importance of quantum decoherence in brain processes ». Physical Review E 61 (4): 4194–4206].
С помощью стандартных расчетов квантовой физики Тегмарк продемонстрировал, что модель Пенроуза-Хамерофа в условиях «теплого и влажного» (то есть сильно зашумленного помехами) мозга работать не может в принципе, поскольку хрупкие квантовые состояния теряют когерентность прежде, чем смогут достичь пространственного и энергетического уровня, достаточного для влияния на нейронные процессы…
Через несколько лет, правда, биофизики многократно продемонстрировали в экспериментах, что квантовые биологические процессы в живых организмах все же реально происходят – вопреки расчетам и доводам теоретиков (см. материал «Квантовый биокомпьютер»). Но эти результаты, ясное дело, оказались куда важнее для Пенроуза и Хамерофа, нежели для критиков их теории.
Что же касается Тегмарка, то он за последние годы в несколько эпатажной манере сформулировал собственную «Окончательную ансамбль-теорию всего», построенную на основе одного-единственного постулата: «Все структуры, существующие математически, также существуют и физически ». (О своевременности данной теории и о весьма созвучных размышлениях Роджера Пенроуза на ту же тему, см. материал «Недостающая идея ».)
Понятно, наверное, что этот постулат – в высшей степени сильное заявление, расширяющее границы физического мира не просто до необозримых, а до каких-то совершенно невообразимых для человека масштабов и форм (но при этом мира, строго описываемого на языке математических уравнений).
Тегмарк считает, что у него получилась весьма привлекательная и простая теория, не требующая вообще никаких свободных параметров для подстройки. Ну а кроме того, в теории предполагается, что в математических структурах, достаточно сложных для содержания в себе «СамоОсознающих Субструктур» или кратко СОС, эти самые СОСы будут субъективно воспринимать себя как существующие в физически «реальном» для них мире…
В строгом математическом виде эта идея формализована Тегмарком под названием «Гипотеза математической вселенной» и популярно изложена в его новой книге «Наша математическакя вселенная» (Max Tegmark. «Our Mathematical Universe: My Quest for the Ultimate Nature of Reality », 2014).
Ну а чтобы не показалось мало, в январе 2014 Тегмарк опубликовал еще и статью «Сознание как состояние материи» (Max Tegmark, Consciousness as a State of Matter, arXiv:1401.1219), в которой совершенно всерьез делается заявка на выстраивание полноценной математической формализации для устройства и работы сознания.
Конечно, пока что речь идет лишь о еще одной попытке навести в этой области надлежащую научную строгость. И хотя проблема сознания все еще очень и очень далека от своего разрешения, примечателен уже сам факт того, что ее наконец-то начали формулировать математически – как комплекс задач, которые исследователи уже вполне могут понимать, исследовать и обсуждать.
Что же представляет собой – в общих чертах – тот набор фундаментальных проблем, решение которых, по мнению Тегмарка, должно вывести науку на совершенно новый уровень понимания сознания и его тайн?
Прежде всего, автор показывает, каким образом эти проблемы могут быть сформулированы в терминах квантовой механики и теории информации. Попутно объясняется, каким образом такой аналитический подход к сознанию ведет нас к точно и строго сформулированным вопросам о природе реальности.
Суть подхода Тегмарка – это думать о сознании как о еще одном состоянии материи, таком как твердое тело, жидкость или газ:
«Я предполагаю, что сознание может быть понято как еще одно состояние материи. Точно так же, как существует много типов жидкостей, имеется множество типов сознания».
Далее эта идея развивается для того, чтобы продемонстрировать, каким образом конкретные свойства сознания могут возникать из физических законов, управляющих нашей вселенной. По той же схеме-аналогии объясняется, каким образом эти свойства сознания позволяют физикам постигать те условия, при которых сознание возникает.
Интересно отметить, что (как и в теории Пенроуза-Хамерофа) новый подход Тегмарка к сознанию пришел извне физического сообщества – главным образом, от ученых-нейробиологов, таких как Джулио Тонони (Giulio Tononi) из Университета Висконсина, г. Мэдисон.
В 2008 году Дж. Тонони выдвинул предположение, согласно которому система, демонстрирующая сознание, должна иметь две базовых специфических черты. Во-первых, такая система должна иметь способности к хранению и обработке больших объемов информации. Иными словами, сознание по сути своей является феноменом информации.
А во-вторых, эта информация должна быть интегрирована в единое целое, так что оказывается невозможным разделять ее на независимые части. Данная особенность отражает тот имеющийся из нашего опыта факт, что каждое явление сознания – это единое целое, которое невозможно разложить на отдельные компоненты.
Важность данных идей Тонони в том, что каждая из перечисленных особенностей может быть сформулирована и описана в математической форме. А это позволяет физикам-теоретикам, вроде Тегмарка, начать относительно данных вещей строгие аналитические умопостроения. В частности, Макс Тегмарк начал эту работу с выделения фундаментальных свойств, которые должна иметь система сознания.
Когда принимается во внимание, что речь идет о феномене информации, сразу же следует, что система сознания должна иметь возможности как для хранения информации в памяти, так и для ее эффективного извлечения. Далее, она также должна быть способна обрабатывать эти данные, примерно как компьютер, но только такой компьютер, который является намного более гибким и мощным, нежели те устройства на основе кремниевых схем, с которыми мы знакомы лучше всего.
В своих построениях Тегмарк позаимствовал у других авторов термин «компьютрониум » (computronium) – чтобы описывать материю, способную делать такого рода вещи. В одной из более ранних работ на эту тему Тегмарк отмечает расчеты, демонстрирующие, что наши нынешние компьютеры не дотягивают до теоретических пределов компьютерной мощи, заложенной в материи, примерно на 38 порядков величины.
(Иначе говоря, теоретически у нас еще есть возможность повышать производительность вычислительных систем – или искусственных «систем сознания» – в количество раз, исчисляемое единицей с 38 нулями)
Далее, Тегмарк переходит к обсуждению несколько более замысловатой идеи – о «перцептрониуме » (perceptronium), определяемом как «наиболее общее понятие о субстанции, которая субъективно ощущает себя самоосознающей» .
По определению Тегмарка, эта субстанция должна не только быть способна к хранению и обработке информации, но и делать это таким образом, который формирует из нее единое, неделимое целое.
Развивая логику данной конструкции, автор заключает, что это также требует для системы сознания и «определенное количество независимости, благодаря которой динамика информации в ней определяется скорее изнутри, нежели снаружи».
Для наглядной демонстрации того, как новый способ размышлений о сознании можно применять в качестве своего рода линзы для рассматривания фундаментальных проблем квантовой механики, Тегмарк берет в рассмотрение известную «проблему квантовой факторизации» (quantum factorisation problem).
Если пояснять предельно кратко, то возникает данная проблема в физике по той причине, что квантовая механика описывает все происходящее во вселенной, используя лишь три математических сущности или инструмента: (1) объект под названием гамильтониан, который в виде матрицы описывает общую энергию системы; (2) матрицу плотности, которая описывает взаимоотношения между всеми квантовыми состояниями в системе; и (3) уравнение Шредингера, описывающее то, каким образом эти вещи изменяются с течением времени.
Так вот, проблема в связи с этим минималистским инструментарием такова, что когда вся вселенная описывается в данных терминах, то у системы в действительности оказывается бесконечное множество математических решений. И эти допустимые решения включают в себя как все возможные квантово-механические исходы, так и – плюс к тому – еще много-много и других разных, куда более экзотических возможностей…
Суть же проблемы вот в чем: ПОЧЕМУ в реальности мы воспринимаем вселенную как тот классический трехмерный мир, с которым все мы так хорошо знакомы в повседневной жизни? Ведь из очевидно верных математических уравнений совершенно никак не следует, что воспринимаемый нами мир должен выглядеть именно так, как он выглядит.
Дабы подоступнее пояснить эту непостижимую пока что для теоретиков загадку, Тегмарк приводит такой наглядный пример. Когда мы смотрим на стакан воды со льдом, мы воспринимаем жидкость и твердые кубики льда как независимые вещи. Хотя на глубинном уровне они в действительности тесно взаимосвязаны друг с другом – как части одной и той же системы. Как именно происходит такое разделение или «факторизация»? Из всех возможных решений, почему мы воспринимаем именно вот это решение?
Понятно, что и у Макса Тегмарка пока нет ответа на данный счет. Но замечательная особенность его подхода к проблеме в том, что ее уже вполне удается формулировать на языке квантовой механики. То есть таким образом, который позволяет подробный аналитический разбор и осмысление проблемы. Одновременно это выводит и на множество других, самых разнообразных проблем нового рода, также поддающихся научному анализу.
Для примера можно упомянуть новаторскую идею о том, что информация в системе сознания должна быть единой. По своей математической сути это означает, что данная система должна содержать в себе такие коды, исправляющие ошибки, которые позволяют любому подмножеству объемом до половины информации быть восстановленным обратно – на основе оставшейся неискаженной части.
По этому поводу Тегмарк напоминает, что науке уже известна подобного рода особая конструкция, именуемая нейросетью Хопфилда, где любая хранящаяся в ней информация автоматически располагает именно такой способностью к исправлению ошибок. Однако, тут же отмечает автор, согласно расчетам, сеть Хопфилда размером примерно с человеческий мозг, имеющий порядка 1011нейронов, может хранить в себе всего лишь 37 битов интегрированной информации…
Естественно, сразу возникает проблема:
«Этот результат ставит нас перед парадоксом интеграции. Почему, если наш мозг так мал, информационное содержимое нашего опыта и сознания выглядит намного большим, нежели 37 битов?»
По мнению Тегмарка, этот парадокс предполагает и указывает, что в изложенной им математической формулировке сознания явно недостает какого-то еще, жизненно важного ингредиента…
Именно этой теме, собственно, и будет посвящен финальный раздел обзора. Но сразу следует предупредить, что рассказываться тут будет о вещах, несколько неожиданных для научно-популярной статьи.