Можем ли да сведем всичко до физика един ден?

Светът, в който живеем, е изпълнен с изобилие, което надхвърля нашите най-щури хрумвания.

Съществуват дървета, сънища, изгреви, сблъскваме се с бури, сенки, реки. Случват се войни, ухапвания от въшки, любовни афери. Животите на различни хора, религиозни системи, движението на цели галактики се разиграват пред очите ни. Най-простото човешко действие се изменя от човек до човек и от един случай до следващия. А дори тясно специализирани области — като тези, които се срещат в науката, са пълни с капани и изненади — доказвайки, че дори в строго ограничените явления можем да открием необятност.

“За него — пише някога Франсоа Якоб относно своя учител Ховалег, “една кост, толкова просто устроена, колкото ключицата, се превръщаше във фантастичен пейзаж, чиито планини и долини могат да бъдат прекосявани до безкрайност”. За да не загубим разсъдъка си и чувството си за смисъл обаче ние търсим начини да опростим това многообразие, като го сведем до по-малък брой “главни” елементи. Многообразието в света около нас може да бъде плашещо и парализиращо. С горните думи именно започва последната книга преди смъртта си философът на науката Пол Файерабенд.

Идеята за обединяването на теориите и наблюденията при отделните науки в една обща “теория на всичко” е често обсъждана сред днешните учени и философи и е прокарвана от т. нар. “позитивистична” идеология. Според поддръжниците на позитивизма се очаква един ден да намерим уравнение или начин, чрез който всички явления около нас — от квантовите вълни до икономическите рецесии, да се предскажат и обяснят. Тъй като такива явления се случват във физическата реалност, според тях откриването на уравнение “зад всичко” е просто въпрос на време.

Колко основателно е обаче подобно очакване? И има ли доказателства за него?

Основни и производни явления

Една полезна отправна точка за отговора на горния въпрос са сложните системи. Този тип системи включват в себе си колективното поведение на голяма група от сравнително прости елементи или индивиди, при което взаимодействията между тези елементи обикновено остават на местно ниво и са нелинейни.

При тях присъства разграничение между онова, което можем да наречем основни и производни цялости, явления и свойства. Основните явления представляват отделните елементи или индивиди в системата. Докато производните се отнасят до определени групи, колекции, форми или съвкупности от основните явления.

Основните явления се срещат в различни форми. Може да бъдат отделни молекули или организми — вероятно човешки същества. Може да бъдат видове молекули, както и популации или видове, класифициращи определени организми. Но е важно да се отчете, че не всички основни елементи са микроскопични и не всички производни са в едър мащаб, защото тези категории са относителни и зависят от случая, в който разглеждаме някаква система.

Хванем ли се да търсим “връзката” между основните и производните явления, можем да приемем, че това като цяло се случва по два начина — онтологичен и теоретичен.

Онтологичен ще рече, че (както може би повечето хора ще се съгласят) всички неща във Вселената са съставени от една и съща субстанция — независимо дали кварки, струни, брани или дори математически отношения. И сложните обекти са съставени от по-прости обекти. Както например популациите от организми не са нищо друго освен съвкупности от индивиди, докато атомите са групи от частици и пр.

Теоретичната редукция обаче е съвсем различно животно, защото научните теории не съществуват “някъде извън нас”, така да се каже, а са произведения на човешкия ум. С други думи, теоретичната редукция, противно на популярните допускания, не следва задължително от онтологичната такава. Но ако постигнеш теоретична редукция, то от нея следва и онтологичната. Това е, разбира се, Светия граал на логическия позитивизъм и се изразява във възможността ни да сведем всички закони в определена наука с такива от по-основна от нея, стигайки в дъното до физиката.

“Химията е приложна физика — какви пет лева?”

Ако се вгледаме по-внимателно в случилото се до момента в науката, ще забележим, че представата някога да стигнем до фундаментален модел на всички явления в реалността е всъщност съмнителна и не особено основателна.

Сега, ако някой изрече горното пред научно информирана публика, освен да предизвика объркани погледи, е вероятно да получи и възражение с популярен пример: “Но какви ми ги говориш ти? Я виж химията! Тя успешно беше сведена до физика! Буквално няма разлика между химията и физиката!”

Уви, работата е там, че в такова възражение също има два проблема. Първият е, че то на свой ред е съмнително, а вторият — че дори да беше вярно, то щеше да бъде по-скоро изключение, вместо правило.

Както Майкъл Вайсберг и неговите сътрудници пишат в раздела от Станфордската енциклопедия на философията, посветен на философията на химията: “много философи приемат за даденост, че химията вече е успешно сведена до физика. През миналото въпросното допускане беше толкова широко застъпено, че редовно можеше да се прочете за “физико-химични” закони и обяснения, сякаш свеждането на химията до физика беше завършено. Въпреки че повечето философи на химията биха се съгласили, че няма конфликт между науките на химията и физиката, те смятат, че възгледът за силно обединение е сбъркан. Повечето вярват, че химията не е успешно редуцирана до физика, както и че това не е вероятно да се случи.” Разбира се, техническите подробности може да се открият в литературата, цитирана от Вайсберг и неговите колеги. Но за настоящата статия е достатъчно да се отчете, че предполагаемата редукция е поставена под въпрос от повечето философи на химията, което прави дори този класически пример не особено убедителен.

Вторият проблем е обаче още по-неприятен. Ето как когнитивният учен Джери Фодър го формулира в началото на класическото си изследване за специалните науки:

“[Свеждането на нещата до физика] е преди всичко емпирична теза и част от доказателствата в нейна подкрепа идват от научни успехи като молекулярната теория на топлината и обяснението на химичните връзки във физични термини. Но философската популярност на редукционистичната програма не може да се дължи единствено на въпросните постижения. В развитието на науката се наблюдава поне толкова често размножаването на специализирани дисциплини, колкото и тяхното свеждане до физика, така че широко споделяният ентусиазъм за редукция трудно може да бъде повече от просто прилагане на индукция върху миналите му успехи.”

Някои анализи — като например на Джон Дюпре, описан в книгата му “Безпорядъка на нещата”, стигат още по-далеч от Фодър: заявявайки, че в историята на науката се наблюдават много повече отклонения в теоретичния аспект — чрез раждането на нови теории вътре в отделните “специални” науки, отколкото успешни случаи на редукция. Ако се открива някаква отчетлива тенденция, то е дори в противоположната посока на редукционизма и универсалността!

Иначе що се отнася до Фодър, според него проблемът с неговата научна област, е че сходни състояния на съзнанието (например депресия) може да се развият чрез разнообразни мозъчни механизми при различните хора, организми и в различните моменти. Тоест, често пъти картата: мозък —> съзнание, не е 1:1 и функцията не може да се обърне. Иначе нямаше да има смисъл да учиш психология, щом имаш невробиология, да речем: “Ако само елементарните частици не бяха толкова дребни (ако само мозъците бяха отвън, където човек може да ги разгледа), тогава щяхме да се занимаваме с физика, а не с палеонтология (неврология вместо психология, психология вместо икономика и т.н.). [Обаче] дори мозъците ни да бяха отвън, нямаше да сме наясно какво да проучваме: на нас ни липсва подходящата теоретична апаратура за психологическата таксономия на процесите в мозъка.” Психичните ни явления се оказват достатъчно заплетени, за да изискват собствена наука.

Друг силен пример срещу редукционизма, коментиран в анализ на Лафлин и Пайнс, е нерелативистичното уравнение на Шрьодингер. То описва с точност всичко от ежедневния свят на хората и може да бъде приложено чрез малък набор от известни количества: заряда и масата на електрона, зарядите и масите на атомните ядра и константата на Планк (за техническа илюстрация, вж. фиг. 1 и 2).

По-отдалечените от нас неща — като движението на планетите, ядреното делене, Слънцето, изотопите на елементите в Космоса и т.н., не се описват от това уравнение, защото явления като гравитацията или взаимодействията в ядрото отсъстват от него. С изключение на светлината, която може без проблем да бъде добавена, а вероятно и гравитацията, тези липсващи части нямат значение за обкръжаващата ни действителност.

Фигура 1. Зависимото от времето уравнение на Шрьодингер.

Фигура 2. Хамилтоновият оператор (H) от уравнението.
"Z" и "М" са атомният номер и масата на дадено ядро (на коя от частиците:
с придружаващите букви), "R" означава къде е това ядро,
"е" и "m" са зарядът и масата на електрона,
"r" е местоположението на определен електрон и "h" е
константата на Планк. Адаптирано от: Laughlin & Pines, 2000.

Когато опитаме да го приложим към непосредствената ни действителност, бързо ще ударим на камък. Както пишат Лафлин и Пайнс: “Знаем, че уравнението е вярно, защото е решено с точност за малък брой частици (изолирани атоми и малки молекули) и присъства поразително съгласие с експерименталните данни. То обаче не може да бъде решено с точност, когато броят на частиците надхвърли десет. Нито един компютър, който съществува — или който някога ще съществува, е способен да премине тази бариера, защото това представлява катастрофа на измерността. Ако количеството компютърна памет, необходимо за квантовата вълнова функция на една частица, е N, тогава количеството памет за вълновата функция на k частици е N на степен k.

Можем да направим приблизителни изчисления за по-големи системи и чрез такива изчисления сме научили защо атомите имат размера, който имат, защо химичните връзки имат дължината и силата, които имат, защо твърдата материя има еластичните свойства, които има, защо някои неща са прозрачни, докато други отразяват или поглъщат светлина. С малко повече експериментални резултати, които да ни насочват, е възможно дори да предскажем формите на малките молекули, скоростта на прости химични реакции, структурни фазови преходи, феромагнетизъм и понякога дори температурите на преход при свръхпроводимостта. Начините за доближаване на стойностите обаче не се извеждат от някакви основни принципи, а зависят от експериментите и заради това са най-малко надеждни, когато е най-необходимо — т.е., когато няма информация от експерименти…

Има много случаи, където изчислителните методи за предсказване се провалят… Да предскажеш как работят протеините или поведението на човешкия мозък от тези уравнения е откровено абсурдно.”

Така че — обобщават положението Лафлин и Пайнс — триумфът на редукционизма, защитаван още от античните философи, е Пирова победа. Успели сме да сведем цялото многообразие около нас до една проста и правилна Теория за всичко, само и само за да открием, че тя съвсем нищо не ни разкрива за много от най-значимите за нас неща.

Заключение

Макар и идеята за “свеждането на многообразието” да остава съмнителна и противоречива, тя все още се обсъжда сред мнозина като въпрос на време. Опасността от подобен начин на мислене в науката е в ограничаването на въображението и пренебрегването на обещаващи подходи за изследването на едни или дуги явления около нас. Светът, в който живеем, все пак непреодолимо надхвърля моделите в нашите глави и именно заради това едно основно задължение на учения и философа е да се пази от правенето на прекомерни обобщения.

Използвани източници:

Bedau, M.A., & Humphreys, P. (2008). Emergence: Contemporary Readings in Philosophy and Science. MIT Press.

Laughlin, R.B., & Pines, D. (2000). The theory of everything. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97 1, 28-31 .

Pigliucci, M. (2014). On the (dis)unity of the sciences. Scientia Salon.
https://scientiasalon.wordpress.com/2014/12/01/on-the-disunity-of-the-sciences/

Още по темата

23/05/2020

Животът

Физиката на частиците в нас

26/08/2019

Физика

"Квантов дарвинизъм" звучи странно, но тази теория премина тестовете

17/06/2019

Физика

Квантовите частици са безсмъртни. Те осцилират в цикъл на разпад и прераждане

05/01/2019

Скептик

Когато мозъчните заболявания помагат