W 1995 roku przeczytałem (no, może nie całą od razu, raczej na wyrywki...) książkę Rogera Penrose'a „Nowy umysł cesarza”. Oryginał był wydany w 1989. Autor, dziś wiekowy, miał wtedy 58 lat. Ta książka spowodowała, że mentalnie wróciłem do fizyki, którą byłem porzucił – w tym sensie, że przestała mnie bardzo interesować i zajmować – wiele lat wcześniej. (Przypomnę, że z wykształcenia jestem fizykiem i kilkanaście lat praktykowałem ten zawód.) Książka ta budziła nadzieję. Jaką? – Że na gruncie fizyki można wyjaśnić zagadkę świadomości. Zagadkę tego, że jesteśmy istotami świadomymi i myślącymi, i że gdzieś w tej materii (którą fizyka uporczywie i z olśniewającymi sukcesami bada) jest jednak ten duch. Że to nam ta fizyka wyjaśni. Penrose budził tę nadzieję tą książką i następnymi, szczęśliwie tłumaczonymi na polski: „Cienie umysłu”, „Natura czasu i przestrzeni”, „Makroświat, mikroświat i ludzki umysł”. Ale projekty Penrose'a spaliły na panewce (pssst... iskierka zgasła) i następne lata pokazały, że trwa to, co było: z jednej strony bredzenia o kwantowych umysłach i kwantowych bogach, jak przez Amita Goswamiego, a z drugiej strony zatwardziały upór „neuronaukowców” (idiotyczne żywcem tłumaczenie słowa z ang. neuroscience, neuroscientists), którzy zawzięli się wykazać, że zwykłymi automatami Turinga 'śmy, tyle, że „bardzo złożonymi”, tak jakby faktycznie wierzyli, że z dokładanie kolejnych bezmyślnych klocków do algorytmu cudownie wyniknie świadomość. O szukaniu przez Penrose'a śladów czy „cieni” umysłu w kwantowych procesach, warto byłoby napisać osobno. Na razie wycinam taki kawałek... o nim dalej.

W fizyce istnieją dwa modele świata: starszy Klasyczny i nowszy Kwantowy. Klasyczny powstał wraz z zasadami dynamiki Newtona, 1687, dopieszczonymi matematycznie przez Lagrange'a niecałe sto lat później i Hamiltona 140 lat później. W modelu klasycznym świat składa się z „cząstek”, które gdzieś są (mają swoje położenia w przestrzeni) i jakoś się poruszają (w każdej chwili określony jest pęd każdej) i działają na siebie siłami lub mają energię, która zależy od ich położeń i pędów. W modelu tym traci sens pytanie o przyczynę. Inaczej, nie ma sensu pytanie „dlaczego?”, ani „co sprawia, że?” – Nie ma sensu, ponieważ świat i wszystkie jego części po prostu poruszają tak, jak się poruszają, jak sprawny mechanizm, a ruch każdej „cząstki”, więc i świata jako całości, jest dokładnie zdeterminowany. Równania modelu klasycznego mają deterministyczne rozwiązania. Jeśli znany jest stan świata w pewnej chwili, to tym samym znany jest w każdej chwili przyszłej (i przeszłej). Nie ma niespodzianek, nie ma nowości ani żadnych „nowych jakości”, też nic nie jest „przyczyną” czegokolwiek (ani „skutkiem” – ta odwieczna para pojęć, przyczyna i skutek, okazuje się być naiwnym antropomorfizmem!) – i oczywiście w tym modelu nie ma miejsca na świadomość, ducha ani wolę (wolną). Antycypując ten model, Kartezjusz (który zmarł zanim Newton wynalazł mechanikę) ogłosił, że materia, res extensa, tj. mająca miejsce w przestrzeni, i świadomość, res cogitans, tj. zdolna myśleć, należą do kompletnie różnych światów i kontaktują się, właściwie, tylko przypadkiem. (Penrose próbował przełamać dogmat Kartezjusza, szukając miejsc w kwantowo rozumianej materii, w których mogłaby wyłonić się świadomość.)

Ściśle zdeterminowany obraz świata podsumował Laplace, wymyślając swojego demona – Demona Laplace'a – czyli istotę, która znając położenia i ruchy (pędy) każdej „cząstki” w świecie, i biegle rachując, zdolna byłaby przez to znać każdy stan świata, tak przyszły jak i przeszły.

Następne odkrycia fizyki i towarzyszące im wielkie teorie niewiele zmieniły. Elektromagnetyzm, statystyczne cieplne ruchy i kosmiczna teoria względności Einsteina pozostawiały świat ściśle zdeterminowanym. Nadal był to świat według Demona Laplace'a.

Zmieniła to dopiero teoria kwantów. Ale jak? – to dopiero chyba właśnie Penrose dostatecznie jasno wyjaśnił. Mechanika kwantowa faktycznie zmienia model świata. Składają się nań już nie „cząstki” zawieszone w przestrzeni, jak w modelu Klasycznym, ale „stany” będące elementami przestrzeni Hilberta. Ta przestrzeń Hilberta to zbiór wszystkich możliwych, istniejących lub nie, wariantów „świata”, lub raczej pewnego jego „podukładu” czy fragmentu. (Zajmujący się mechaniką kwantową raczej nie lubią wypowiadać się od razu o „całym” świecie – wolą zajmować się fragmentami.) „Mieszkańcy” przestrzeni Hilberta bywają też nazywani „wektorami”, w pełnym brzmieniu „wektorami stanu”. (Także są nazywani „funkcjami falowymi” lub jeszcze dziwniej, ale to pominę.) Wektory stanu zmieniają się w czasie. Jak? – to przedstawia równanie Schrödingera, które jest kwantowym odpowiednikiem równań mechaniki klasycznej. Równanie Schrödingera jest deterministyczne. Kwantowe układy – wektory stanu – ewoluują w czasie w sposób tak samo zdeterminowany i sztywny, jak „cząstki” w modelu Klasycznym. Ich ruch można z dobrą dokładnością porównać do sztywnych obrotów w mechanice klasycznej. Raz „puszczony” układ kwantowy porusza się równie sztywno i bez niespodzianek, jak klasyczna karuzela, zegarek lub planeta na orbicie. I tak samo jak tam, nie ma ani „przyczyn” ani „nowych jakości”. Karuzelowy smutek!

Procesy rządzące się równaniem Schrödingera Penrose nazywa „unitarnymi”, w skrócie U. Ale od samego początku w modelu Kwantowym wprowadzony został drugi rodzaj procesów, procesy redukcji (redukcji wektora stanu), w skrócie R. Redukcja wektora stanu polega na tym, że układ, „kwantowy byt”, który zawierał wiele możliwości (np. elektron mógł znajdować się gdziekolwiek w pewnym wycinku przestrzeni), po zajściu tego procesu zmniejsza – redukuje – liczbę tych możliwości. (Np. elektron zostaje schwytany przez detektor.) Procesy R, o co Penrose ma żal do nich, są dziwnie tajemnicze. Żadna teoria nie określa, jak długo trwają. Zapewne zachodzą w czasie równym zero, co z drugiej strony oznacza, że jeśli dotyczą jakiegoś obiektu rozciągłego, to przenoszą się w przestrzeni natychmiast, czyli szybciej niż światło. Einsteina to tak przeraziło, że nazwał ten proces „upiornym oddziaływaniem na odległość” (spooky action at a distance, a właściwie spukhafte Fernwirkung – bo Einstein nie mówił po angielsku). Do tego dzieją się nie zdeterminowanie, tylko losowo, z prawdopodobieństwem. Procesy R w teorii kwantów reprezentują pomiary. Tak, i to jest chyba w tym wszystkim najdziwniejsze! Model Kwantowy jest podwójny, dualistyczny. Gdy mu się dobrze przyjrzeć, przedstawia Procesy Przyrody, które idą gładko, równomiernie, spokojnie i deterministycznie jak chce równanie Schrödingera; to są procesy unitarne U – i z drugiej strony przedstawia ingerencję „Kogoś” w tę przyrodę. Ów „Ktoś” ingeruje, ponieważ chce z owej Przyrody wyrwać informację. (Której najwyraźniej pożąda!) Ta ingerencja z zewnątrz została umieszczona w Kwantowym modelu pod postacią procesów redukcji R. Na ten gwałt z zewnątrz Przyroda (czyli kwantowy układ itd.) odpowiada losową kapryśnością i upiorną delokalizacją w przestrzeni.

Co tu się, podejrzewam, wydarzyło? Zbiorowy wysiłek twórców teorii kwantów odwzorował w Kwantowym modelu świata – ludzką świadomość! Jako coś, co stoi (ukrywa się?) za upiornymi procesami R. Ale ta świadomość wciąż, jak u Kartezjusza, nie należy do „świata”, nie należy do materii res extensa, która rządzi się gładkim i regularnym, ale i nieskończenie nudnym równaniem Schrödingera (tego od Kota). W modelu Kwantowym wymodelowano styk między (unitarną, U) res extensa, a wciąż nieobecną res cogitans – i ten styk w postaci procesów R okazał się upiorny.

Dlaczego smutek fizyki? W kolejnej książce „Droga do rzeczywistości”, oryg. 2004, autor miał już 73 lata, Penrose daje monumentalny przegląd istniejących teorii fizyki. Pokazuje fizykę z przełomu wieków XX i XXI jako masę rozgrzebanych i niedokończonych wątków, nieodpowiedzianych zagadek, prób motywowanych w dużym stopniu modą lub intelektualną dostępnością pewnych koncepcji, jeszcze nie na tyle trudnych, aby doktorancka młodzież omijała je, uznając za „nie do ruszenia” w posiadanym czasie. Ubolewa, że mało kto poszedł jego śladem, czyli w teorię twistorów (matematycznych obiektów abstrakcyjnie modelujących promienie światła, czyli bieg informacji). O nadziei, że z mechaniki kwantowej wyniknie teoria świadomego rozumu, Penrose tam już chyba nawet nie wspomina.