Научные доказательства редукционизма

Я думаю, что здесь есть два разных вопроса:

1. Есть ли у нас доказательство того, что все состоит из субатомных частиц и все процессы/взаимодействия сводятся к ним?
2. Можно ли объяснить все явления с точки зрения взаимодействия субатомных частиц

Ответ на первый вопрос однозначно утвердительный , как показали физические эксперименты на всех уровнях организации материи: субатомных частицах, ядрах, атомах, молекулах, твердых телах/жидкостях/газах и т. д.

Второй вопрос сложнее, поскольку здесь мы имеем дело с эмерджентными явлениями , когда поведение материи сильно отличается от того, что можно было бы механистически предсказать, исходя из знаний более низких уровней организации. С другой стороны, как уже подчеркивалось выше, материя, участвующая в этих сложных новых действиях, по-прежнему состоит из элементарных частиц и подчиняется фундаментальным законам физики. Это было в значительной степени предметом дебатов вокруг вопроса, объясняет ли физика, почему законы и поведение, наблюдаемые в биологии, такие, какие они есть? - люди, похоже, сильно расходятся во мнениях по этому поводу.

Обратите внимание, однако, что не нужно даже заходить так далеко, как биология, чтобы столкнуться с трудностями редукционистского взгляда: статистическая физика и теория критических явлений (таких как фазовые переходы) были в значительной степени разработаны в ответ на невозможность объяснить некоторые явления с помощью микроскопического описания. В зависимости от своего опыта некоторые утверждают, что это просто следствие ограниченной вычислительной мощности , которую можно будет преодолеть в будущем, тогда как другие скажут, что это ограничение непреодолимо или что оно мало что добавит с точки зрения объяснения/понимания этих сложных поведение.

Обновление:
в качестве примера сокращения или объяснения можно рассмотреть письменный текст.

• Такой текст можно свести к составляющим его буквам, знакам препинания и пробелам, а взаимодействие между ними можно детально изучить — например, статистическое распределение букв или их последовательностей, которые могут подчиняться некоторым очень строгим правилам для конкретного языка. , где одни последовательности запрещены, другие распространены. Используя эти правила, можно попытаться построить текст, который будет выглядеть как английский... но все равно будет тарабарщиной. Примеры можно найти, например, в основополагающей статье Шеннона.
• Можно работать на более высоком уровне — на уровне слов. Мы не можем точно сказать, из каких допустимых сочетаний букв состоит слово, — мы не можем объяснить слова, даже если у нас есть подробные знания о том, из чего они состоят. Однако, когда у нас есть словарь, мы можем изучать слова, их взаимодействие и т. д. Мы могли бы попытаться использовать эти знания для написания текста... и это все равно было бы тарабарщиной.
• Мы могли бы изучать предложения — существуют довольно строгие правила, регулирующие смысловую структуру, известные как порождающая грамматика . Языки программирования (искусственные) полностью объясняются этими правилами, и по желанию могут создаваться новые языки. Но они все равно будут далеки от настоящего человеческого языка, даже если мы детально разберемся в их компонентах.

Краткий ответ может быть таким: все вещи состоят из частиц, но мы не знаем (полностью), что такое частицы.

В несколько более полном ответе то, что я только что назвал «частицами», уже довольно тонкое, потому что математика, описывающая их физическое поведение, является математикой квантовой теории поля, и поэтому было бы не совсем правильно говорить, что составляющие космоса просто «частицы»; они представляют собой нечто более тонкое, что-то вроде совокупности квантовых полей.

Когда дело доходит до совокупностей таких «частиц», в их коллективном поведении могут возникать типы поведения, которые мы не знаем, как связать с лежащей в основе теорией поля частиц, взятых по одной или небольшими группами. Столкнувшись с этим, нам не нужно сразу отказываться от редукционизма, потому что разумно думать, что такое коллективное поведение согласуется с любым правильным описанием основных составляющих или является его продолжением. Но неразумно думать, что мы уже знаем это правильное описание со всеми подробностями и точностью; мы, конечно, нет. И также неразумно думать, что редукционизм всегда преуспевает во всех отношениях, потому что явления, относящиеся к квантовой запутанности, дают противоположные примеры.

Это последнее утверждение следует тщательно рассмотреть. Что верно, так это то, что если мы принимаем «редукционизм» как следствие того, что физические предсказания относительно пространственноподобных разделенных частей могут быть правильно получены путем рассмотрения частей так, как если бы они несли свои свойства с собой по отдельности, тогда редукционизм опровергается наблюдениями типа неравенства Белла. . Но это не должно означать, что редукционизм полностью подорван. Это тонкая граница редукционизма, влияние которого на более широкие явления пока неясно. Кажется, что он связан с некоторыми явлениями многих тел, и можно утверждать, я думаю убедительно, что он лежит в основе вычислительной мощности квантовых вычислений.

Я замечаю, что некоторые комментарии к первоначальному вопросу реагировали так, как будто редукционизм приравнивается к науке, как будто сомневаться в первом — значит сомневаться во втором. Я думаю, что кто-то прав, если нервничает из-за того, что может показаться, будто он открывает дверь ненаучным рассуждениям. Но чтобы подчеркнуть то, что я делаю здесь по поводу запутанности, я бы предложил дополнительно рассмотреть либо пример квантовых вычислений, либо пример куперовских пар в сверхпроводимости БКШ, либо сопоставимые примеры в других коллективных явлениях. Эволюция во времени двух регистров в квантовом компьютере, выполняющем алгоритм Шора, не может быть описана каким-либо описанием, использующим язык: «Таким образом, регистр А является; регистр B таким образом'. Можно только сказать: «регистры А и В таковы». Куперовская пара является компонентом редуктивного описания, но когда кто-то говорит, что такая пара состоит из «двух электронов», не вполне корректно говорить, что существует некоторый X, из которых куперовская пара — это «два X» в любом обычном значении слова «два». Масса и заряд равны двум$m$' и два$e$', но импульс - это не 'два' что-нибудь. Почти все энергетические собственные состояния электронов в атомах также сильно запутаны, и только небрежно используя язык, мы говорим, что в гелии существует «два электрона», а не «одна запутанная электронная пара».

Наконец, возникает вопрос, какой должна быть более полная фундаментальная теория. Будет ли это держать открытой тонкую дверь к нередуктивным возможностям, которая уже была открыта в квантовой запутанности? Действительно ли в космосе действуют еще более богатые нередуктивные возможности, прямо на уровне описаний основных составляющих? Мы не знаем, но рискну предположить, что ответ положительный.

Не существует такого понятия, как «свидетельство редукционизма» в вашем понимании, как не существует «свидетельств фальсификационизма» или «свидетельств позитивизма». Редукционизм — это философская точка зрения , а не свойство мира, в котором мы когда-либо можем быть уверены.

Вы можете иметь доказательства того, что редукционизм работает в конкретных случаях — например, теория Стандартной модели, которая, в свою очередь, порождает теорию остаточных ядерных сил — и все естественные науки полны подобных случаев. Но в любом случае, когда у вас нет редукционистского объяснения, у вас есть философский выбор — вы можете сказать, что это вызов для редукционистских подходов, или вы можете поверить, что это невозможно объяснить в более редукционистских терминах. В последнем случае у вас есть еще два варианта: либо это еще одна «фундаментальная» вещь, которую нужно добавить к набору объяснений, с помощью которых редукционистские подходы объясняют все остальное, либо вы можете заявить о победе над редукционистами и сказать, что редукционизм мертв.

Невозможно доказать, что что-то не может быть объяснено с точки зрения какой-то пока неизвестной редукционистской теории. Вы можете доказать это только для конкретных редукционистских теорий , которые уже существуют . Точно так же невозможно доказать, что что-то можно объяснить в редукционистских терминах, не предоставив этого объяснения. И даже если бы все известные явления были объяснены в редукционистских терминах, мы не можем быть уверены, что однажды не обнаружим новое явление, которого не может быть.

Для проекта естественных наук совершенно не имеет значения, пытаетесь ли вы «доказать» или «опровергнуть» редукционизм, исследуя возможные объяснения явления — в любом случае вы пытаетесь дать научное объяснение мира.

Однако обратите внимание, что вышеприведенное слово «доказательство» используется в том виде, в каком оно используется в вопросе, а не в том смысле, в котором это обычно делает наука. Когда мы говорим о доказательствах научного закона, мы не говорим, что у нас нет доказательств его справедливости только потому, что мы наблюдали его справедливость только в конкретных случаях. Чем больше мы наблюдаем случаев, когда закон соблюдается, тем больше мы убеждаемся в том, что закон «истинен», пока мы не наблюдаем случай, когда это не так. Проблема с редукционизмом в том, что он не фальсифицируем в этом смысле — мы не можем наблюдать пример, в котором он не выполняется, поскольку мы всегда можем полагать, что просто еще не нашли правильного редукционистского объяснения. Вот почему редукционизм — это метафизическая вера, а не научное свойство мира.

Я разделю этот ответ на две части. Во-первых, я хочу развеять/предотвратить любые возможные здесь ошибки категории.

Основные правила философии науки

Есть утверждения, что стандартная модель — это теория, объясняющая почти все явления, которые мы наблюдаем в мире. Мне интересно, какие научные доказательства поддерживают это утверждение?

Сказать, что теория объясняет наблюдаемые явления, значит сказать, что эти явления входят в число ее предсказаний. Доказательством этого утверждения, конечно же, являются сами явления.

Насколько это утверждение научно?

Под «научным» вы можете подразумевать «поддающийся научному анализу» или «хорошо засвидетельствованный в свете такого анализа». Они соответственно применяются к фальсифицируемым утверждениям и утверждениям, предсказания которых согласуются с наблюдениями. Итак, как было сказано выше, СМ научна в обоих отношениях.

Кажется, что в этом утверждении есть несколько частей

«Это утверждение» означает то, что утверждает СМ, а не ранее обсуждавшееся утверждение о том, что СМ объясняет наблюдаемые явления. Части, которые вы определяете при анализе СМ, — это то, как мы делаем вышеупомянутые прогнозы. Возьмем гораздо более простой пример: утверждение о том, что у людей есть разум с определенным внутренним состоянием, реагирующим на свое тело и воздействующим на него определенным образом, объясняет наблюдаемое поведение людей. Вы не можете видеть умы или квантовые поля напрямую, только их наблюдаемые эффекты.

Явления, связанные с СМ, в частности

Предупреждение: я упомяну некоторые линии улик, но каждая из них упоминается очень кратко.

Фундаментальных объемных эффектов нет, т. е. нет фундаментальных взаимодействий между группами частиц. Любые макромасштабные свойства являются эмерджентными свойствами, возникающими в результате взаимодействий в меньшем масштабе.

Это кажется справедливым резюме того, что утверждается. Другими словами, (i) взаимодействия между составными частицами являются эмерджентным следствием взаимодействий между фундаментальными частицами, и (ii) мы соответственно называем эти взаимодействия эмерджентным и фундаментальным. В то время как (ii) является определением, (i) является утверждением о Природе.

Какие физические доказательства существуют для этих убеждений? Только потому, что мы находим законы, управляющие отношениями между частицами, и обнаруживаем, что они являются составляющими материи в более крупных масштабах, какие у нас есть доказательства этого заявления о тотальном редукционизме? Какие у нас есть доказательства того, что существуют «строительные блоки» материи и что вся материя полностью определяется этими строительными блоками?

Это разбивается на два вопроса, которые мы должны решить в порядке, обратном порядку, в котором вы их поставили: откуда мы знаем (в смысле знания , основанного на доказательствах, соответствующих предсказаниям ), что существуют такие строительные блоки, и как мы узнаем, что фундаментальных взаимодействий достаточно для того, чтобы объяснить взаимодействие между составными структурами?

По первому вопросу мы постепенно переходим к более мелким компонентам (например, броуновское движение свидетельствует о существовании атомов, химия свидетельствует об электронных конфигурациях, а ЯМР-спектроскопия — об их ядерных структурах, наблюдение за бета-распадом показывает, что нейтрино существуют, а классификация адронов поддерживает их кварк-глюонную структуру). Хотя никогда нельзя доказать, что частица не имеет субструктуры, заявление о том, что она не предсказывает ее, не имеет различимого размера, и это верно до сих пор для электронов и кварков, вплоть до масштабов длины$10^{-18}$м. Не было показано, что любая подструктура, которую они могли иметь , лучше предсказывает наблюдения.

Что касается второго вопроса, требуются подробные расчеты, чтобы показать, что фундаментальные взаимодействия предсказывают энергию ионизации атомов и электроотрицательность, а также силы Ван-дер-Ваальса. Из них следуют предсказания в химии и объемные предсказания, такие как вязкость материалов, температура кипения и т. д. До сих пор, хотя многие предсказания «объемных сил возникают» были успешными, ни одно из них не оказалось неработоспособным. Мы признаем нередукционистские взаимодействия, когда находим их. (Они будут только « пока не редукционистскими », на тот случай, если редукция в конце концов станет возможной; например, так произошло с трением, упругими силами, вибрациями и т. д.)

Наука ничего не «доказывает», она может только опровергать ложные модели реальности.

Мы создаем математические модели, которые предсказывают результаты экспериментов. Хорошо работающие модели — это не более чем: могут ли они представлять некую «лежащую в основе реальность» — это чисто философское суждение. Стандартная модель является одной из таких, более того, ее лежащая в основе реальность, как известно, является предметом самых разных интерпретаций и бесконечных споров.

Но модели, которые делают неверные предсказания, могут быть благополучно отвергнуты философами, как представляющие всего лишь некоторое ложное представление о какой-либо лежащей в их основе реальности. Конкретный характер рассматриваемой лжи может быть предметом споров, но общая неудача бесспорна.

Таким образом, пока теория не дает ложных предсказаний, нет никакого способа показать ее как истинную и точную или как ложную и случайную. Например, ньютоновская модель гравитации веками оказывалась точной, пока наука не продвинулась вперед и не показала ее чрезмерное упрощение. Локальная реалистическая модель материи как физических частиц, с волнами как чистой статистикой, является еще одним таким провалом, жертвой теоремы Белла и последующим экспериментальным опровержением предсказаний теории. Теперь у нас есть общая теория относительности и квантовая запутанность, и никто не может точно сказать, правильны эти модели реальности или нет с философской точки зрения.

Тем не менее, есть небольшой, но важный набор доказательств, демонстрирующих, что Стандартная модель неверна или, по крайней мере, это не вся история. Многие физики возятся, пытаясь улучшить его, и в то же время объясняя огромное количество доказательств, согласующихся с аспектом поле/частица.

Чего у нас нет, так это какой-либо модели целостных или других нестандартных сущностей с какой-либо полезной предсказательной силой, ни даже малейшего намека на то, как такая модель могла бы быть сформулирована. Без такой математической модели философам не за что взяться и, следовательно, нет причин воспринимать эту идею всерьез.

Это началось как комментарий, но он слишком длинный, и я превратил его в ответ.

Редукционизм как подход к пониманию физических явлений в настоящее время испытывает вызов со стороны «эмерджентности», т. е . идеи о том, что сложная система не может быть сведена к изучению ее отдельных частей. По сути, запутанность и квантовые корреляции между частями большой системы могут предотвратить сведение к отдельным частям.

Недавно было интересное обсуждение этого вопроса в

Ааронов Ю., Коэн Э., Толлаксен Дж. Полностью нисходящая иерархическая структура в квантовой механике. Труды Национальной академии наук. 2018 13 ноября; 115 (46): 11730-5.

В этой статье (которую не так легко читать, потому что язык и предыстория незнакомы большинству физиков) авторы представляют модель трех частиц в трех ящиках, так что корреляции между двумя частицами можно вывести из 3-частичные корреляции, а не наоборот (то, что «сверху вниз» в заголовке). Если вы сведете систему к изучению двухчастичных подсистем, вы не сможете вывести свойства всей системы. Здесь нет проблемы вычислительной мощности, и поэтому она кажется фатальной для строгого редукционизма.

К счастью, авторы также показывают, что квантовая механика совместима с любыми экспериментальными предсказаниями этой модели, тем самым смещая проблему совместимости между квантовой механикой (которая может включать такие корреляции — локальные или нет — по крайней мере, феноменологически) и редукционизмом. Как указывали другие, квантовая механика, по-видимому, находится там, где редукционизм останавливается: коллективные феномены многих тел ( например , конденсаты Бозе-Эйнштейна) или даже эффект нескольких тел (эффекты группировки фотонов, которые можно измерить для очень небольшого количества фотонов) не могут могут быть полностью объяснены в терминах эффектов отдельных частиц, однако предположения о том, что они являются свидетельством против редукционизма, никогда не воспринимались всерьез.