PENROSE R. Shadows of the mind: A search for the missing science of consciousness. - Oxford, 1994. - XVI, 457 p
Реферат подготовлен Ю.П.Карпенко
В реферируемой книге крупного английского математика и физика-теоретика Роджера Пенроуза развиваются идеи его предыдущей монографии “Новое имперское мышление: О компьютерах, сознании и законах физики” (Penrose R. The emperor’s of new mind: Concerning computers, minds and the lows of physics. - Oxford, 1990). Автор продолжает исследовать «сознание с научной точки зрения» (с.7). Приводятся аргументы в пользу того, что «сегодняшней научной картине мира недостает существенной компоненты», которая необходима для «согласованного включения центральных тем человеческой ментальности в научное мировоззрение» (там же). «Научное мировоззрение, которое игнорирует проблему сознания, - считает автор, - не может претендовать на полноту. Поскольку сознание - часть Вселенной, любая физическая теория, которая не отводит ему должного места, фундаментально неполна... Хотя пока нет физической, биологической или вычислительной теории, которая бы близко подходила к объяснению сознания и, следовательно, разума, это не должно удерживать нас от поиска такой теории”(c.8).
Первая часть книги - «Почему нам нужна новая физика для понимания сознания: Невычислимость мышления». Основная идея автора заключается в том, что деятельность сознания не является вычислимым процессом, который можно было бы моделировать на компьютере. Формулируются и обсуждаются четыре точки зрения на соотношение сознания и физических процессов, протекающих в мозгу в связи с мышлением: 1) мышление - это вычисление, а чувства связаны с выполнением подходящих вычислений (эта точка зрения поддерживается приверженцами возможности создания искусственного интеллекта и подразумевает, что если мышление можно моделировать на компьютере, то компьютер сознателен, как и его конструктор); 2) сознание - свойство физической деятельности мозга, но хотя любой физический процесс можно моделировать на компьютере, это не значит, что моделирование само по себе может породить сознание (согласно этой позиции, искусная имитация сознания еще не означает его наличия; для проявления сознания важен его биологический субстрат - человеческий мозг. В то же время, чтобы идентифицировать имитацию, может понадобиться очень длительное тестирование); 3) сознание порождается определенным физическим процессом, который, однако, нельзя моделировать на компьютере (это - точка зрения автора, а ее отличие от предыдущих состоит в том, что подчеркивается необходимость материального субстрата для проявления сознания, который необязательно должен быть человеческим мозгом, поскольку возможно создание искусственного устройства, необязательно на биологической основе, которое могло бы обладать свойствами сознания. По аналогии с открытием явления высокотемпературной сверхпроводимости утверждается, что и в случае сознания - когда феномен обнаружен, но его приемлемая теория отсутствует - создание искусственных разумных устройств на новой физической основе может быть следствием конкурентной борьбы на рынке высоких технологий, а вовсе не создания подходящей теории); 4) согласно мистической точке зрения сознание вообще не может быть объяснено в физических, вычислительных или каких-либо других научных терминах.
Последняя точка зрения отвергается в силу известных фактов взаимосвязанности мозга и сознания, но в то же время считается истинным подход к структуре реальности в духе Платона: «По Платону, математические концепции и истины составляют действительный собственный мир, безвременный и не имеющий физического местоположения. Мир Платона - это идеальный мир чистых форм, отличный от физического мира, но в его терминах понимается последний. Он лежит за пределами наших несовершенных ментальных конструкций, но все же наш ум имеет некоторый непосредственный доступ к платоновской реальности через осознание математических форм и рассуждений о них» (c.50). Мир идей населяют не только математические структуры, но также идеи эстетического и нравственного порядка.
Под вычислимостью понимается возможность осуществления конечного количества операций на абстрактной машине Тьюринга, которая сегодня равнозначна обычному компьютеру общего назначения. Невычислимость какой-либо задачи означает невозможность решить ее за конечное количество шагов. Математические примеры невычислимости: решение диофантовых уравнений, покрытие плоскости многоугольниками. Относительно диофантовых уравнений известно, что в принципе невозможно создать алгоритм, который бы мог за конечное количество шагов определить, имеет ли данная система диофантовых уравнений решение или нет. Диофантовы уравнения - это система многочленов с целыми коэффициентами, и решение этой системы ищется в целых числах. Невозможность построения алгоритма в общем случае вовсе не означает, что нельзя решить какую-то конкретную задачу. Аналогичный результат получен относительно возможности построения общего алгоритма, решающего проблему покрытия плоскости многоугольниками. Это также не означает невозможность решить эту проблему для конкретных многоугольников (например, для квадрата или произвольного прямоугольника).
Различается две вычислительные процедуры: «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Вычисление «сверху-вниз» - это вычисление на основе фиксированных правил и фиксированного набора данных, вычисление «снизу-вверх» имеет место тогда, когда правила могут изменяться на основе накопленного «опыта» (самообучающиеся системы). Утверждение о невычислимости, немоделируемости на современном компьютере процесса мышления относится к обеим вычислительным процедурам.
Невычислимость мышления доказывается на основе использования следствий из теоремы Гёделя, относящихся к машине Тьюринга. На возможность использования теоремы Гёделя в качестве аргумента в пользу принципиальной неалгоритмизируемости, невычислимости процесса мышления первыми обратили внимание Нагель, Ньюмен, Лукач. Возможность применения теоремы Гёделя как аргумента неалгоритмизируемости мышления подвергается критике. В том числе критикуется и следующая позиция автора, изложенная им в первой монографии: «Мое использование аргумента Геделя состоит в том, чтобы показать, что человеческое мышление не может быть алгоритмической деятельностью. Если мы сможем показать это в некотором специфическом контексте, то уже этого будет достаточно... Затвор шлюза уже будет открыт!» (c. 51).
Обращение к математике - это атака на позиции искусственного интеллекта на его собственной почве. Согласно этой позиции, субъект мышления, ощущений нуждается в деятельности вычислительного типа. Первая часть книги посвящена обоснованию невычислимости мышления, сознания, т.е. вопросу о том, чем не является человеческое мышление.
“Математическое доказательство на каждом своем шаге требует чего-то “очевидного “, но результат может оказаться отнюдь не очевидным. Можно было бы предположить, что возможно раз и навсегда перечислить все эти очевидности и тем самым формализовать процедуру”, но в том то и состоит результат Геделя, что это невозможно: нет способа устранить необходимость новых “очевидных” предположений. Таким образом, математическое мышление не может быть сведено к слепому вычислению» (c.56).
В качестве конкретных примеров невычислительной деятельности сознания приводятся восприятие красного цвета, вкуса, боли, красоты. Феномен боли играет решающую роль в возможности приписать свойство сознания не только высшим животным и человеку, но и одноклеточным.
Две главы первой части книги посвящены техническим деталям применения теоремы Гёделя к машине Тьюринга. Ключевую роль играет проблема остановки машины Тьюринга, т.е. проблемы построения такого алгоритма, который мог бы определить закончится или нет вычисление по некоторой задаче. Оказывается, что в общем случае такой алгоритм нельзя построить в принципе. Доказательство ведется на игре между двумя уровнями: собственно вычислениями и процедурой второго уровня, определяющей остановится или нет некоторое вычисление первого уровня. Здесь возникает опасность возникновения парадоксов самореференции: например, предложение это утверждение ложно” является самореферентным и парадоксальным. Утверждается, что при доказательстве эти трудности, которые делают его внутренне противоречивым, можно избежать.
Вторая часть книги называется “Какая новая физика нам нужна для того, чтобы понять сознание?”. Если первая часть книги посвящена вопросу о том, чем мышление не является, то вторая часть книги посвящена обсуждению тех предполагаемых физических процессов, которые вызывают сознание.
Сама возможность описания сознания на языке физики, т.е. отказ от мистической точки зрения на соотношение физики и сознания Д” в пользу позиции В”, обосновывается указанием на связь между состоянием мозга и мышления: «Если ментальность - это нечто отдельное от физического, то почему наши ментальные самости вообще нуждаются в физических мозгах? Совершенно ясно, что изменения в ментальных состояниях могут быть вызваны изменениями в физических состояниях мозга. Действие, например, некоторых наркотиков вполне определенно сказывается на ментальном состоянии и поведении. Аналогично травма, болезнь или хирургическое вмешательство в определенные зоны головного мозга могут иметь хорошо определяемые и предсказуемые последствия в ментальных состояниях человека... А если ментальность действительно связана с определенными формами физического, то тогда законы науки, которые точно описывают поведение физических объектов, наверняка должны многое сказать также и о мире ментального» (c.202-203).
Многие могут согласиться с тем, что в нашем мышлении есть что-то невычислимое, но далеко не все полагают, что для описания нашего мышления нужны революционные сдвиги в физике, ссылаясь при этом на сложность мозга и происходящих в нем процессов. Утверждение состоит в том, что если наше мышление невычислимо, то и связанные с ним физические процессы также должны обладать тем же свойством. Однако вся современная физика, все известные физические процессы являются вычислимыми, моделируемыми на компьютере.
Специально обсуждаются случаи детерминированного хаоса и стохастического поведения систем. Эти процессы являются вычислимыми, моделируемыми на компьютере, но моделируется при этом не индивидуальное, а типичное поведение системы.
Подчеркивается, что искомый невычислимый физический процесс не является исключительным атрибутом деятельности мозга: «Необходимо допустить, однако, что этот (предполагаемый) невычислимый процесс также присущ и неживой материи, поскольку живой человеческий мозг в конечном счете состоит из того же материала, что и неодушевленная природа. В этой связи мы должны задать два вопроса. Во-первых, почему феномен сознания проявляется, насколько мы это знаем, только в мозге (или в связи с ним) - хотя мы не должны исключать возможность наличия сознания у других физических систем. Во-вторых, мы должны спросить о том, как могло случиться, что такой по-видимому очень важный ингредиент, как невычислимый процесс, характерный (по крайней мере потенциально) для всех материальных процессов, до сих пор не попадал в поле зрения физиков?”(с. 216).
Теоретический поиск места проявления невычислимого процесса в современной физике приводит к фундаментальным проблемам квантовой теории. Точка зрения по поводу перспектив развития квантовой теории формулируется на основе различения Х- и Z-чудес квантовой теории. Х-чудеса, от английского paradox, это не укладывающиеся в рамки здравого смысла следствия квантовой теории, которые возникают в связи с переходом от квантового уровня на макроскопический. Наиболее известным примером Х-чуда является парадокс кошки Шрёдингера, обусловленный противоречием между линейностью уравнения Шрёдингера, допускающим в силу свойства линейности линейную суперпозицию исключающих друг друга с макроскопической точки зрения альтернатив (кошка жива и кошка мертва), и макроскопическим описанием, не допускающим совмещения взаимоисключающих альтернатив: кошка либо жива, либо мертва, но никак не жива и мертва одновременно.
В более общей постановке это проблема редукции волновой функции, проблема квантовых измерений, которая является ключевой для обнаружения невычислимого физического процесса.
Примером Z-чуда (от англ. pazzle - головоломка) квантовой теории является известный эксперимент Эйнштейна - Подольского - Розена. Х- и Z-чудеса квантовой теории различаются еще тем, что Х-чудеса являются следствием формализма и неподтверждены экспериментально, а Z-чудеса либо уже экспериментально подтверждены, либо очень правдоподобны. Существуют две точки зрения на перспективу существования чудес квантовой теории. Одна точка зрения состоит в том, что несмотря на всю их парадоксальность и противоречие здравому смыслу рано или поздно придется их принять, поскольку такова природа квантового мира. Другая точка зрения, разделяемая автором книги, состоит в том, что Х-чудеса квантовой теории обусловлены ее неразработанностью. Это означает, что с течением времени Х-чудеса “будут вычеркнуты из списка” чудес квантовой теории, так как они неприемлемы с философской точки зрения. Допустимы только Z-чудеса, ибо в их присутствии “мы можем спокойно лодырничать”(с.236).
Вопрос о том, является ли редукция волновой функции реальным физическим процессом или некоторой иллюзией детально обсуждается.
Означает ли наличие противоречий между квантовым и классическим описаниями, описаниями микро- и макроуровня, что существует два вида законов, каждый из которых действует на своем уровне? “Моя точка зрения, разделяемая немногими физиками, состоит в том, что такое состояние физического описания (существование двух видов законов. - Прим. реф.). не может быть ни чем иным, как приостановкой в развитии физики и мы можем ожидать, что открытие квантово-классических законов, которые однородно действуют на всех масштабах, может означать научное открытие, сравнимое с теми, которые инициировали Галилей и Ньютон”(с. 307-308).
Поляризация мнений по поводу соотношения квантового описания(“процедура U”, в основе которой лежит уравнение Шредингера) и редукции волной функции (“R-процедура”) такова: «Есть рассматривающие U-процедуру, как все то, что существует в эволюции квантового состояния. Соответственно R-процедура рассматривается как некоторый вид иллюзии, соглашения или аппроксимации и не считается частью эволюции реальности. В этом случае оказывается предпочтительной интерпретация многих миров Эверетта... С другой стороны, есть те, кто рассматривает квантовый формализм серьезно и в то же время верит, что не только U-, но и R-процедура являются реальными физическими процессами в квантово-классическом мире. Но если квантовый формализм рассматривается серьезно, то тогда очень трудно верить в то, что эта теория может быть полностью точна на всех уровнях. Поскольку R-процедура противоречит многим свойствам U, в особенности ее линейности» (с. 309-310).
Приводятся такие возражения против интерпретации многих миров Эверетта: а) она неэкономична; б) она не объясняет, как из множества миров происходит выбор одного мира, т.е. как измерение дает конкретный результат; в) «без теории того, как “воспринимающее существо” делит мир на ортогональные альтернативы, у нас нет оснований полагать, что такое существо не могло бы осознавать линейную суперпозицию мячей для гольфа или атомов, находящихся в совершенно различных точках пространства» (с. 312). Кроме этого, интерпретация многих миров не объясняет, как именно квадрат модуля комплекснозначной функции (волновой функции) приобретает смысл вероятности.
Обсуждаются также трудности интерпретации R-процедуры в рамках подхода «для всех практических целей» и в качестве следствия акта осознавания. В последнем случае трудность связана с вопросом о том, какова природа законов, управляющих поведением макроскопических систем, в отсутствии наблюдателя: погода на отдаленной планете - это конкретный макроскопический процесс или линейная суперпозиция комплексных альтернативных состояний?
Вывод автора состоит в том, что необходима новая теория редукции волновой функции. Эта теория должна строиться в рамках физики без привлечения феномена сознания. Проблема сознания - это гораздо более сложная проблема, чем проблема квантовых измерений (с. 330-331).
В книге рассматриваются две гипотезы о механизмах редукции волновой функции: обусловленный гравитацией и обусловленный взаимодействием с внешней средой.
Существование противоречий между описаниями мегамира (ОТО) и микромира (КТ) является одной из фундаментальных проблем современной теоретической физики. Примерно с середины 60-х годов делаются попытки построения согласованных теорий, связанные с пересмотром основ квантовой теории. В 1986 г. Гирарди, Римини и Вебер выдвинули гипотезу спонтанной редукции волновой функции свободной частицы, которую поддержал Дж. Белл.
В главах, посвященных квантовой теории, уделяется много внимания доступному широкой публике изложению ее формализма, описывается парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена (квантовая нелокальность), состояние его экспериментальной проверки. В качестве наглядного занимательного примера квантовой нелокальности приводится головоломка о магических додекаэдрах.
Какое же все это имеет отношение к мышлению, сознанию? Ответу на этот вопрос посвящена глава “Квантовая теория и мозг”.
Широко распространено мнение о том, что мозг можно моделировать как классическую систему, в описание которой квантовые эффекты по существу дела не входят. (Хотя, разумеется, в основе всех химических и электрических явлений, протекающих в мозге, лежат квантовые закономерности, но это квантовые явления микроскопического, а не макроскопического уровня). Мозг - это макроскопическая система, перенос нервных импульсов осуществляется по схеме “включено/выключено” без каких-либо чудес квантовой суперпозиции, допускающих одновременность “включено” и “выключено”.
Утверждается, что классического описания функционирования головного мозга по существу дела недостаточно для описания феномена сознания. Функционирование мозга как классической системы - это алгоритмизируемый, вычислимый процесс, а в силу аргументов, приведенных в первой части книги, мышление - это неалгоритмизируемый, невычислимый процесс. Приводятся следующие аргументы в пользу необходимости привлечения квантовых представлений для описания функционирования мозга: а) чувствительность ретины к нескольким, а в определенных условиях и к одному фотону, показывает, что некоторые нейроны работают не как классические устройства, а как квантовые, их порог чувствительности простирается вплоть до квантового уровня; б) гипотеза Экклза о том, что для описания функционирования некоторых структур мозга (паракристаллическая гексагональная решетка в пирамидальных клетках мозга) необходимо привлечение квантовых представлений; в) фундаментальное открытие резонансов в биологических мембранах в миллиметровом диапазоне электромагнитных волн, сделанное Фрелихом в 30-х годах, для объяснения которых он полагал необходимым привлечение представлений о квантовой когерентности.
Где именно в мозге проявляются квантовые явления, существенные для мышления? Мозг как система нейронов с фиксированными связями - это система, которая не может может быть моделирована на компьютере. Невычислимость мышления связана со свойством пластичности мозга (изменениями синоптических связей), обусловливающим его способность к обучению. Поиск структурных элементов мозга на клеточном уровне, для функционирования которых могут быть существенны эффекты квантовой когерентности, выводит за пределы собственных норм системы в нанобиологии. Приводятся экспериментальные данные о наличии сложных поведенческих реакций у одноклеточных организмов вплоть до способности к обучению. На этой основе делается вывод о наличии у этих организмов некоторой формы сознания. Ключевую роль для существования этой формы сознания играет не ядерная структура клетки, где содержится вся генетическая информация, а скелет клетки, выполняющий кроме функции поддержания ее формы также функции передвижения и питания. Собственно переход от нервной системы к одноклеточным осуществляется следующим образом.
Во-первых, сознание естественно изучать там, где оно в некотором смысле отключается. В качестве примера механизма отключения рассматривается анестезия. Во-вторых, известно, что общие анестетики (окись азота, хлороформ и др.) примерно одинаково действуют как на людей и высших животных, так и на одноклеточные организмы. В связи с тем, что химическая природа общих анестетиков различна специалистами высказывается предположение о том, что столь широкий биологический диапазон их воздействия имеет нехимическую природу. Для объяснения механизма этого воздействия привлекаются силы ван дер Ваальса, силы дальнодействия, существующие между молекулами, обладающими дипольным моментом.
Аналогом нервной системы у одноклеточных является скелет клетки. Существенным структурным элементом этого скелета являются микротрубочки, для функционирования которых могут оказаться существенными эффекты квантовой когерентности. И хотя квантовые механизмы не привлекаются специалистами для моделирования передачи сигналов по нейронным сетям, они вполне могут быть задействованы при моделировании процессов, происходящих в микротрубочках. Иными словами, квантовые эффекты, существенные для мышления, связаны с функционированием скелета нейронов, а физическая модель мышления описывается как макроскопическое квантовое когерентное состояние, не связанное с окружающим термическим фоном. Поскольку работа мозга не связана с явлениями массопереноса, то гравитационно индуцированный коллапс волновой функции здесь не применим, в связи с этим рассматривается другой механизм редукции, связанный с влиянием внешней среды. Процесс редукции волновой функции играет ключевую роль в функционировании мозга, поскольку необходим переход от квантовой модели мышления к классической сети нейронов, которая трактуется как система усиления слабых сигналов.
«На подобную компьютеру классическую сеть нейронов постоянно влияет активность их клеточных скелетов, как проявление того, что мы могли бы обозначить как “свободная воля» (с.376). Роль нейронов в этой картине больше похожа на роль умножительного устройства, в котором маломасштабная активность клеточных скелетов преобразуется в нечто, способное влиять на другие функции тела, например, на мускулы. Соответственно уровень нейронов, на котором в настоящее время описывается функционирование мозга и сознания, - это просто тень более глубокой активности клеточных скелетов и именно на этом более глубоком уровне мы и должны искать физическую основу сознания!”(там же).
Вторая часть книги заканчивается обсуждением вопроса о том, каковы причины неизбежности проявления невычислимости в квантовой теории. «Есть ли какие-либо свидетельства в пользу того, что невычислимость могла бы быть существенной чертой любой теории, которая в конце концов корректно объединила бы (и подходящим образом модифицировала) и квантовую теорию и общую теорию относительности?» (с. 383).
Приводится два примера такого рода свидетельств. Первый возникает из необходимости квантования пространства-времени при построении квантовой теории гравитации и следовательно необходимости сравнения различных топологий четырехмерного пространства-времени: проблема топологической эквивалентности четырехмерных многообразий.
Приводится иллюстрированный пример этой проблемы для двухмерных многообразий: капля любой формы (точнее говоря, ее поверхность как двухмерное многообразие) топологически эквивалентна сфере, которая не эквивалентна тору, т.к. в нем есть отверстие, но тор топологически эквивалентен чашке, так как у нее есть только одно отверстие - в ручке. В 1958 г. А.А.Марков показал, что проблема топологической эквивалентности четырехмерных многообразий сводима к проблеме остановки машины Тьюринга и следовательно не существует общего алгоритма, который бы за конечное число шагов мог решить эту проблему. Проблема остановки машины Тьюринга - это как раз та проблема, которая возникает в связи с доказательством невычислимости процесса мышления на основе следствий из теоремы Геделя. Этот результат однако не означает, что проблему топологической эквивалентности для четырехмерных многообразий нельзя решить в том или ином конкретном случае.
Второй пример связан с фундаментальным фактом общей теории относительности об искривлении траектории луча света в гравитационном поле. Если в приведенном выше примере рассматриваются все возможные топологии, то в данном случае в центре внимания оказывается специфическая топология, допускающая замкнутые временеподобные кривые. Эйнштейновское отклонение луча света в искривленном пространстве-времени дает принципиальную возможность топологий пространства-времени с замкнутыми временеподобными кривыми: возможность путешествия в прошлое, “машина времени”. Поскольку на макроскопическом уровне такие топологии пространства-времени приводят к парадоксам причинности: можно вернуться в свое собственное прошлое и убить своего деда до своего рождения, - то они исключаются. Однако это исключение на макроуровне не означает запрет на такие топологии на микроуровне. Оказывается появление таких топологий в квантовой теории гравитации означается наличие в ней неустранимой невычислимости.
В заключительной главе рассматривается модель трех миров: физического, психического и мира идей Платона. Обсуждается отличие трактовки трех миров автором от модели К.Поппера. Книга заканчивается следующим утверждением: «Я рассматривал три мира и чудесные связи между ними, но нет сомнения в том, что есть не три мира, а один, отблеска подлинной природы которого мы еще не видели» (с.420).
Из коллекции сайта «РазныеРазности»
http://hotmix.narod.ru