Как квантовая теория помогает понять поведение людей

РБК публикует отрывок из книги директора по стратегии Google Захана Бхармала «Искусство физики: Как наука объясняет хаос, противоречия и непредсказуемость нашей жизни». Книга вышла в издательстве «Альпина Паблишер».

За последние годы сложились новые представления, позволяющие понять причины наших внешне нерациональных решений и более точно их прогнозировать. Для объяснения предположительных парадоксов в процессе принятия решений психологи и когнитивисты обратились к другой сфере, неразрывно связанной с кажущимися парадоксами, — сфере, основанной на неопределенности.

Добро пожаловать в мир квантового познания  — связующее звено между квантовой физикой и тем, как человек принимает решения, а также новую область исследований, которая расширяет границы нашего понимания этого процесса.

За более подробными разъяснениями я решил обратиться к одному из мировых экспертов в этой области — Питеру Брузе, профессору Квинслендского технологического университета в Австралии, ученому-кибернетику.

Я позвонил ему по видеосвязи вечером по его времени в середине недели. Он начал наш разговор с воодушевлением:

«По самой своей природе принятие решений связано с неопределенностью. В своем сознании мы создаем представления о внешнем мире, и принятие решений по поводу этих представлений связано с вычислениями. В сущности, это и есть познание — то, как мы понимаем свой опыт и используем это понимание, чтобы рассчитать в уме, какой сделать выбор. Если в момент принятия решения вы находитесь в состоянии определенности, ваше решение будет отличаться от того, к которому вы пришли бы в состоянии неопределенности».

Понятие неопределенности находится в центре того, что значит принимать решения в сложно устроенном мире. Чтобы понять, какое отношение к этому имеет квантовая физика, нам нужно отправиться в мир элементарных частиц.

Более 300 лет назад Исаак Ньютон вывел принципиально новые законы, описывающие взаимосвязь между движением объектов и действующими на них силами. Эти законы блестяще объясняли наблюдаемую Вселенную, став моделью, которой люди следовали еще долгое время и продолжают следовать до сих пор. Законы Ньютона обеспечивали определенность.

Но в XIX веке ученые начали подвергать эту определенность сомнению. Даже в детерминированных системах незначительные изменения начальных условий могут приводить к совершенно иным результатам — сейчас это называют теорией хаоса. А в XX веке ученые постепенно приходили к выводу, что мир, в котором мы живем, далеко не так однозначен.

Возьмем крикетный мячик. Вы держите его в руке, вы думаете, что он плотный, и так оно и есть. В любой момент времени вы теоретически можете знать, где он находится и с какой скоростью движется. Если оставить его на ночь под кроватью, то, если только кто-то или что-то не сдвинет его с места, можно с уверенностью утверждать, что утром он будет лежать там же, куда вы его положили.

Однако если посмотреть глубже, то окажется, что крикетный мячик состоит из многих миллиардов невидимых невооруженным глазом субатомных частиц — электронов, протонов, нейтронов. И поведение этих частиц настолько отличается от поведения самого мячика, что для его объяснения потребовалась новая теория.

Так родилась квантовая физика  — пожалуй, самая успешная на сегодняшний день научная теория. Она объясняет загадочные факты, которые невозможно было понять с помощью прежней, классической ньютоновской теории, и это достигается благодаря введению ряда абсолютно новых принципов.

Один из них — принцип неопределенности. В соответствии с ним частицы, в том числе и те, что содержатся в радиоактивном образце из мысленного эксперимента с котом Шредингера (где судьба кота зависит от случайного квантового события и становится известна только при открытии коробки. — РБК), существуют в виде волн вероятности. И только в момент наблюдения (в случае с котом, когда открывают коробку) эта волна «коллапсирует» до определенного состояния, и мы видим, жив кот или мертв.

Я помню, как узнал о коте Шредингера, когда учился в школе. Часть моего мозга отказывалась верить в то, что все это реально. Как может что-то быть одновременно и волной, и частицей? Представьте мое изумление, когда учитель физики шаг за шагом привел мне реальные экспериментальные доказательства, которые свидетельствовали, что это не просто мыслительный трюк, а существует на самом деле.

Он не мучил никаких кошек, но рассказал нам об обычном опыте, который школьники всего мира изучают уже более века, — эксперименте с двойной щелью.

Для начала нужно представить себе стену с двумя одинаковыми параллельными щелями. Что произойдет, если вы начнете бросать в эту стену один за другим блестящие красные мячики для крикета? Многие из них отскочат, но некоторые пролетят через одну из щелей. Если за первой стеной поставить вторую, то мячики будут попадать и в нее. Если бы каждый удар крикетного мячика оставлял на второй стене красный след, что бы вы ожидали увидеть? Скорее всего, там появятся две полосы красных пятен, расположенные примерно вровень с прорезями в первой стене.

Теперь представьте себе тот же эксперимент, но вместо отдельных объектов, таких как пролетающие через две щели мячики для крикета, мы возьмем волны на воде. Представьте себе рябь, движущуюся по поверхности пруда. Если бы эта волна столкнулась со стеной с двумя щелями, то она разделилась бы на две новые волны, каждая из которых прошла бы через одну из щелей и разошлась с другой стороны концентрическими кругами. Если бы щели находились достаточно близко, две волны, выходящие из них, столкнулись бы друг с другом. Пик, попавший на пик, увеличился бы, создав еще большую волну, а пик, попавший на впадину, пропал бы. Это называется интерференционной картиной (характерный волновой узор, возникающий при наложении волн. — РБК).

Оказывается, независимо от типа волн, проходящих через щели, картина всегда получается одна и та же.

Теперь давайте подумаем, что произойдет, если этот же эксперимент провести в гораздо меньшем масштабе, в квантовой области. Представьте, что стену обстреливают электронами — субатомными частицами на много порядков меньше крикетного мячика. Что произойдет?

Чтобы упростить ситуацию, допустим, что стена имеет только одну щель и за ней также находится вторая стена. В этом случае картина, которую вы увидите на второй стене, будет похожа на ту, что наблюдается с мячиками для крикета: длинная полоса размером примерно с щель, через которую проходят электроны. Частицы и крикетные мячики ведут себя одинаково.

Однако, когда появляется вторая щель, начинают происходить странные вещи. Интуитивно кажется, что на второй стене появится еще одна полоса. Но нет. На ней возникает интерференционная картина, подобная той, что наблюдается при прохождении через щели волн на воде.

Когда этот эксперимент впервые был проведен в лаборатории, исходная гипотеза состояла в том, что разные электроны каким-то образом интерферируют друг с другом, если проходят через щели одновременно. Чтобы проверить это, ученые замедлили поток электронов так, чтобы вместо шквала частиц, массово проходящих через щели, в любой момент времени там пролетал буквально один электрон. И вот электроны вылетали один за другим и на второй преграде невероятным образом появлялась… интерференционная картина.

Чтобы разобраться в происходящем, ученые разместили у щелей детекторы. Возможно, отдельные электроны каким-то образом разделялись на две части, проходили через обе щели, а затем интерферировали между собой? Невероятно, но как только детекторы были установлены, картина на выходе изменилась. Интерференция исчезла, а вместо нее появились две полосы, как в случае с мячиками для крикета. Когда детекторы убрали, интерференционная картина вернулась. Каким-то образом сам процесс наблюдения за электронами изменял их поведение. При включенных детекторах частицы вели себя как мячики для крикета. При выключенных — как волны.

Имейте в виду, что, в отличие от кота Шредингера, это не мысленный эксперимент. Это реальный опыт, который был проведен в лаборатории и может быть повторен любым человеком, имеющим доступ к довольно стандартному оборудованию.

Благодаря этому простому эксперименту мы узнаем очень многое о красоте и причудливости квантового мира. Пока электрон не наблюдают, его положение невозможно определить точно. Он ведет себя как волна вероятности, способная взаимодействовать с другими электронами и накладываться на них, подобно ряби на пруду. В любой момент вы можете предположить, где окажется электрон, но не будете знать этого наверняка. Только когда электрон зафиксирован детектором, он занимает определенное положение и ведет себя как частица.

Рациональному уму такой исход кажется бессмысленным. Почему от того, что мы будем смотреть на частицу, ее поведение как-то должно измениться? Однако именно это и происходит.

***

Такова реальность квантовой физики. Квантовое познание, упомянутое ранее, описывает, что происходит, когда принципы квантовой теории применяются к когнитивным моделям. В основе этого лежит следующая догадка: процесс принятия решений, подобно процессам в квантовой вселенной, строится на неопределенности.

Оказывается, применяя к своим рассуждениям квантовую теорию, психологи могут, что просто поразительно, давать конкретные количественные прогнозы касательно человеческих решений. Во многих других науках это обычное дело, но вот в психологии редкость; на протяжении долгих лет эта задача не имела решения в когнитивной науке. Как правило, для по-настоящему точного прогнозирования психологам не хватает знаний о глубинных причинах поведения людей.

В своем исследовании коллега Питера Брузы Джером Бусемейер проанализировал несколько давних психологических экспериментов, в которых квантовая теория точнее предсказывает результаты, полученные в реальной жизни. Давайте рассмотрим некоторые из них и снова начнем с опроса Gallup, в котором изучалась неприязнь между белыми и темнокожими и наблюдался эффект порядка, противоречащий аксиоме коммутативности (согласно которой порядок действий не должен влиять на результат). Половину участников сначала спросили, считают ли они, что темнокожие не любят белых, а затем — что белые не любят темнокожих. Другой половине задали те же вопросы, но в обратном порядке. Классические модели познания предполагают, что ответы должны быть одинаковыми независимо от последовательности. Но квантовая теория познания прогнозирует разницу в 10%, что, собственно, и наблюдалось.

Предсказательные возможности квантовой теории познания нашли применение и во многих других подобных задачах. За десять лет исследователи, работающие в этой области в Америке, изучили 72 опроса, проведенных компанией Pew по целому ряду политических суждений, например: «Довольны ли вы вашим президентом?» или «Считаете ли вы, что дела в вашей стране идут хорошо?» В каждом опросе участвовали по 1000 человек, причем половине из них вопросы задавали в одном порядке, а остальным — в противоположном. Прогнозы в рамках классической теории познания значительно отклонялись от наблюдаемых результатов, а квантовая теория предугадывала их почти в точности. Эти прогнозы были сделаны априори, то есть сформулированы до того, как указанные события произошли. Подобная предсказательная способность в общественных науках встречается крайне редко.

Хотя эти примеры кажутся очень абстрактными, квантовую теорию познания можно применить к реальным решениям, с которыми может столкнуться любой из нас. В последние годы эксперты по квантовому познанию разработали эксперименты, позволяющие замерять влияние когнитивных отклонений на решения, которые человек принимает, основываясь иногда только на том, что ему кажется.

В одном из таких экспериментов, проведенных профессором психологии из Индианского университета Джеймсом Таунсендом, участникам показывали фотографии людей с лицами двух разных типов: узкими и широкими. На основании исключительно различий в форме лица им было предложено принять решение об одном из двух возможных вариантов действий, которые мы в рамках данного повествования назовем наймом и увольнением.

Цель эксперимента заключалась в том, чтобы понять, какое из этих двух действий наиболее вероятно и при каких обстоятельствах. Однако в эксперименте была одна хитрость. Некоторых участников попросили принять решение сразу же, других — сделать дополнительный шаг: сначала классифицировать лица как принадлежащие «хорошим» или «плохим» людям и только затем принять решение, как поступить.

Чтобы понять полученные результаты, для простоты рассмотрим, что происходило, когда участникам показывали изображения узких лиц. Среди тех, кто должен был принять решение сразу, 69% решали человека уволить, а 31% — взять его на работу. Интересный вывод получается, если сравнить эти результаты с результатами участников, которых попросили сделать дополнительный шаг, сначала разделив лица на две группы. В этом случае, когда участникам показывали фотографии узких лиц, средняя вероятность того, что они уволят этого кандидата, а не примут его на работу, составляла всего 59%. Добавление дополнительного шага снижало вероятность увольнения на 10%.

Если рассматривать мозг как компьютер, выполняющий логические операции, то в этом нет никакого смысла. Вероятность того, что испытуемые примут решение об увольнении или найме, не зависит от того, сразу ли они его принимают или сначала относят лицо к категории хороших или плохих.

Как физика может помочь с этим разобраться? Давайте представим, что участники эксперимента — это квантовые частицы. Только вместо прохода через двойные щели их путь начинается с того, что они смотрят на показываемое им лицо и принимают решение, взять этого человека на работу или уволить его. Для тех, кого просят сделать выбор сразу, мыслительный процесс эквивалентен ситуации выключенного детектора, поэтому они находятся в суперпозиции (состояние, в котором одновременно возможны несколько вариантов исхода. — РБК). Но путь тех, кого сначала попросили разделить лица на две группы и лишь потом решать, эквивалентен ситуации наблюдения. Они уже не находятся в суперпозиции, их состояние определено. И оказывается, что, если применить к этому эксперименту модели квантовой теории познания, мы получим естественное объяснение наблюдаемым результатам.

***

Мир квантовой физики может казаться абстрактным и далеким от нашей повседневной жизни, но он таит в себе удивительные знания о том, как мы принимаем решения. Возможности классических моделей ограничены, поскольку они не учитывают неопределенность, присущую тому, как человек делает любой выбор. Квантовая теория познания позволяет более точно предсказывать влияние этой нашей особенности.

Я спросил Питера Брузу, как, по его мнению, квантовая теория познания поможет нам в будущем лучше принимать решения. «Один из главных плюсов квантового познания, — ответил мне он, — заключается в том, что оно дает нам некоторые методы моделирования человеческого мышления со всеми его недостатками, ведь в обычной жизни мы склонны быстро принимать решения, не имея под рукой всей необходимой информации, а квантовое познание — самый гибкий из известных мне подходов, позволяющих с этим разобраться».

Однажды у меня была дилемма, соглашаться ли на предложение о работе. Теперь я понимаю, что находился в метафорической суперпозиции, не зная, по какому из путей пойти. Квантовая теория познания учит нас распознавать это состояние неопределенности и использовать его с выгодой для себя. Я мог бы не рассматривать решение как бинарный выбор с правильным и неправильным ответом, а признать вероятность различных исходов и подготовиться к нескольким сценариям. Это означало бы, что я спокойнее относился бы к неизбежной неопределенности, меньше сомневался и не затягивал с решением.

Знай я в то время о принципах квантового познания, я мог бы также разработать стратегию, учитывающую возможность того, что моя работа не станет постоянной. Я мог бы поставить себе конкретные цели на 11 месяцев и определить этапы их достижения, чтобы получить ценный опыт и связи, тем самым улучшив свои перспективы независимо от того, продолжу ли я потом работать в этой должности. Поменяв ход мысли таким образом, я бы уже не так сильно боялся неопределенности и получил бы возможность действовать более решительно.

Поэтому нам нужно стараться не делать выбор лишь потому, что нам кажется, что то или иное событие обязательно произойдет. Учет взаимосвязей разных возможностей способствует более тонкому пониманию риска и выгоды. Квантовая механика утверждает, что на состояние частицы влияет сам факт наблюдения. В случае людей, принимающих решения, это означает, что такие простые изменения, как порядок задаваемых вопросов, могут приводить к разным ответам.