Приложение к обзору «О свободе воли подробно» (http://www.proza.ru/2019/03/14/2212)
(ред.10.03.2022)
Традиционно в физике, химии и других естественных науках сильны позиции редукционизма, то есть стремления все процессы рассматривать, как следствия событий, происходящих на уровне элементов систем. Оптические явления объясняются движением фотонов, химические реакции – взаимодействиями атомов и молекул и т.д.
Но в последнее время появилось много исследований, посвящённых нисходящей причинности, то есть обнаружению на уровне элементов следствий общесистемных событий. Южноафриканский космолог Джордж Эллис в эссе «Признание нисходящей причинности» (https://arxiv.org/abs/1212.2275) отмечает, что нисходящая причинность обычна в социологии, физиологии и биологии. Но можно наблюдать её и в физических процессах. Так, средняя космическая плотность определяет скорость расширения космоса, от которой зависит соотношение температуры и времени, что, в свою очередь, задаёт скорость процессов микроуровня – ядерных реакций и, следовательно, результат нуклеосинтеза, вновь поднимающийся к таким макропеременным, как общая массовая доля гелия и лития в ранней Вселенной. Обобщая, Эллис утверждает, что нисходящая причинная связь возникает там, где результаты определяются начальными и граничными условиями и приводит примеры этого из астрономии, космологии и квантовой физики. (Можно сказать, что начальные и граничные условия задают «горизонтальную» причинность, так как они соразмерны следствиям, но можно говорить и о нисходящей причинной связи, поскольку действие определяемого ими процесса происходит через движение множества элементов).
Квантовая физика для нас особенно интересна. Эллис приводит в пример воздействие кристаллической структуры в металле на электроны. Его механизм не поддается описанию в терминах, соответствующих масштабу электрона и, следовательно, представляет собой нисходящую причинно-следственную связь этой структуры с состояниями электронов. Следствием этого воздействия может быть, в частности, сверхпроводимость, понять которую путём чисто восходящего анализа невозможно.
Другой пример касается согласования обратимых моделей квантовой физики с необратимостью термодинамики. Для этого предложена модель Калдейры-Леггетта, состоящая из системы и окружающей среды, имитируемой так называемым «тепловым резервуаром» в виде набора независимых генераторов гармонических колебаний. После учёта происходящих в системе и резервуаре процессов, а также взаимодействия между ними, остаются избыточные гармоники, для удаления которых в модель вводится дополнительный член «необратимости». Поскольку все низкоуровневые эффекты взаимодействия системы и среды уже учтены (и обратимы), вклад этого члена может соответствовать только нисходящему воздействию на систему среды как единого целого.
Ещё один пример, приведённый Эллисом, рассмотрим в приложении 4 «Макросистемы и квантовые события» (http://www.proza.ru/2019/03/15/15).
Американские нейробиологи Эрик Хоэль и Джулио Тонини разрабатывают теорию «причинного возникновения», согласно которой целеустремлённое поведение существ-агентов (и в том числе, безусловно, человека) несводимо к движениям и взаимодействиям элементов, из которых они состоят. Изучая модель нейронной сети головного мозга, они заметили, что пик информативности приходится на достаточно крупные группы нейронов. Причинное возникновение в нейронной сети обеспечивается, по мнению Хоэля, её случайностью и избыточностью. Подходя к проблеме с точки зрения теории информации, Хоэль показал, что макросостояния (т.е. состояния системы в целом, не редуцированные до уровня их элементов) уменьшают неопределённость причинной структуры системы точно так же, как код с исправлением ошибок уменьшает шум в передаваемых данных.
Квантовый физик из Оксфорда Дэвид Дойч разрабатывает «теорию конструкторов», основанную на представлении о нисходящей причинности (https://arxiv.org/abs/1210.7439). Эта теория строит новую формальную систему на основе существующих научных теорий и позволяет разделить все задачи на выполнимые и невыполнимые. Так, простой анализ позволяет сразу отклонить как невыполнимую задачу построения вечного двигателя.
Стандартный научный подход состоит либо в разложении (редукции) изучаемых явлений на элементарные, либо в получении результата, исходя из начальных и граничных условий. Хотя во втором случае, как говорит Эллис, речь идёт о нисходящей причинности, на это редко обращают внимание. Объяснение явлений и процессов обычно идёт путём их редукции, разбиения на составляющие фрагменты. Дойч же предлагает обратный путь, начиная анализ с задач (task) и структур (constructor), обеспечивающих их решение. В области техники такой подход естественен: изобретатель решает стоящую перед ним задачу, создавая подходящее устройство (constructor). Но этот подход работает и в других сферах. Например, устойчивость Солнечной системы (как задача) обеспечивается её структурой, в основе которой лежит равновесие центростремительных гравитационных сил и центробежных сил вращения планет. Течение некоторых химических реакций (задача) обеспечивается катализатором (конструктором), на котором молекулы исходных продуктов активируются и вступают в связь друг с другом или, наоборот, разлагаются.
Особое значение Дойч придаёт информации, которую рассматривает как особую физическую сущность наравне с энергией (https://arxiv.org/abs/1405.5563). Если в теории Шеннона информация оценивается статистически, то теория конструкторов обходится без ссылок на вероятность. При этом удается дать описание как классической, так и квантовой информации (в виде суперинформации). Информация играет важную роль в структуре причинности, являясь основной составляющей нисходящих причин.
Выводы:
1) нисходящая причинность имеет значительное распространение во всех формах движения;
2) многие явления невозможно описать в терминах низших уровней, разложить на составляющие;
3) информацию можно рассматривать как физическую сущность.
Вернуться к обзору - http://www.proza.ru/2019/03/14/2212