К сводимости биологии к физике

Ниже я несколько упорядочил свои ответы в обсуждениях последнего месяца о сводимости/несводимости биологии к физике. Я начну с нескольких комментариев сторонников несводимости. Далее я разделил возражения на несколько категорий и выразил в более связном виде свою точку зрения. Тем не менее, это пока еще не заметка, посвященная этой проблеме, а скорее заготовка такой заметки.

Благодарю всех, кто принял участие в обсуждение этого вопроса.

snegsever: иерархическая картина мира

‘биология несводима к физике, хотя все процессы в биологии выполняются в согласии с законами физики. Собственно, несводима по той же простой причине, по какой описание любой взаимодействующей системы не сводимо к описанию только ее частей — не учитываются взаимосвязи, ведущие к новым закономерностям. ‘

‘мир устроен иерархично, в нем можно выделить не менее четырех уровней качественно различающихся организацией взаимодействий, от низших к высшим – физический, химический, биологический, социальный. На каждом новом уровне есть свои законы, ни коим образом не сводящиеся к законам низшего уровня. Но при этом каждый высший уровень полностью включает законы низшего уровня, базируется на нем. Просто чем выше уровень, тем меньшее значение в ОПИСАНИИ его характерных взаимодействий играют законы низших уровней.’

systemity: взаимодействие хаоса беспорядка с хаосом порядка

‘Жизнь — это по существу синтез и трата энергии путём окисления живыми организмами субстратов, полученных восстановлением углекислого газа водой (глюкоза) в процессе фотосинтеза с помощью энергии солнца. Этот процесс существования живого невозможно описать с помощью одних лишь физических закономерностей, включая самую зубодробительную математику. Любой процесс самоорганизации представляет собой взаимодействие хаоса беспорядка с хаосом порядка под влиянием колебаций внешней среды. И здесь чисто физические взаимодействия в итоговом плане не подчиняются законам физики.’

bbzhukov: законы не предписания, а ограничения

‘Заметьте: в обоих случаях я намеренно брал примеры, никак не связанные с биологией — именно потому, что дело не в какой-то особенной природе живых систем (веру в которую Вы все время стремитесь мне приписать), а в природе самих физических законов — в том, что они суть не однозначные предписания, а ограничения. И поведение сколько-нибудь сложных чисто физических систем точно так же не предопределяется ими однозначно, как и поведение систем биологических.’

‘Вообще-то об этом я Вам тоже все время твержу: оно происходило в соответствии с законами физики. Но поскольку эти законы по самой своей природе не предопределяю однозначно ход и исход описываемых ими взаимодействий и процессов, развитие Вселенной происходило весьма разнообразно и имело много вариантов.’

‘Я делаю из него ровно тот вывод, в обоснование которого и привел этот пример: что законы физики суть не однозначные предписания, а ограничения. И потому поведение даже относительно простой системы, безусловно подчиняясь им, не описывается ими однозначно и исчерпывающе — даже в идеальной модели, где все определяется единственным взаимодействием и подчиняется абсолютно детерминистскому закону.’

Вначале я приведу три разрозненных ответа, которые в некоторой степени показывают видение проблемы, с точки зрения защищемой мною позиции. Далее следует более систематическое обсуждение вопроса.

_____________________

Будет разумно разделить три разных вопроса:

1) Фундаментальные законы физики и прикладные науки.
2) Объяснение и уровни организации в природе.
3) Как устроен мир.

Первый вопрос связан с тем, что по разным причинам невозможно использовать законы физики для решения прикладных задач и поэтому существует много эффективных моделей, которые продолжат свое существование даже после открытия окончательных законов физики. Однако мой вопрос связан не с прикладной, а с фундаментальной наукой.

Второй вопрос сводится к тому, что в природе есть разные уровни организации: элементарные частицы, атомы, молекулы, клетки, организмы и т.д. Так вот, позиция физиков называется редукционизмом и она заключается в том, что объяснения на уровене N + 1 сводятся к объяснениям на уровне N. Грубо говоря, биология сводится к физике. На этом пути приведено несчисленное количество примеров и точка зрения физиков однозначна: несводимость эквивалентна витализму.

Ответ на третий вопрос с точки зрения физики выглядит таким образом. Мир переходит из предыдущего состояния в последующее по законам физики и законы физики полностью определяют такой переход.

_____________________

Витализм как раз говорит про то, что биология не сводится к физике. Витализм утверждает, что для описания живого требуются новые законы, которых нет среди законов физики. С этой точки зрения я пока не вижу отличия вашей позиции от витализма.

Теперь по порядку. С интуицией и здравым смыслом при рассмотрении физики сплошные проблемы. Мы видим, что Солнце вращается вокруг Земли, а на самом деле Земля вращается вокруг Солнца. Мы видим красный предмет перед нами, а на самом деле там есть только электромагнитные волны определеной частоты, отражающиеся от предмета и попадающиеся на сетчатку. Можно продолжать бесконечно. Поэтому ссылка на здравый смысл не проходит.

Далее мы говорим про картину мира, которая сложилась в современной науке. Мы не обсуждаем сейчас, как ученые пришли к такому, речь идет именно про определенные представления о мире на уровне физики (картина мира называется физикализм). Можно отвергнуть эти представления, но в этом случае следует предложить альтернативную картину мира.

Соотвественно, научная картина мира начинается например с элементарных частиц и полей, которые подчиняются законами физики. Это называется фундаментальным уровнем. При этом для перехода системы из состояния 1 в состоянии 2 достаточно законов физики (достаточно не в смысле практического решения задач, а на уровне обсуждения картины мира). Далее на более высоких уровнях организации появляющиеся сущности, которые тем не менее состоят только из того, что существует на фундаментальном уровне. Таким образом новые закономерности не являются фундаментальными, поскольку в рамках разговора о картине мира они сводятся к фундаментальным взаимодействиям.

Я понимаю, что картина миры выше не согласуется со здравым смыслом. Однако, что есть, то есть. Соотвественно, обсуждение вышенаписанного следует проводить при движении от простого сложного. На этом пути можно пока остановиться на уровне возникновения жизни, поскольку если мы не придем к консесусу на этом уровне, то следует зафиксировать различие на этом уровне и остановиться.

Насколько я понял, вы отвергаете предложенную картину мира. В этом случае вы должны сказать, как устроен мир с вашей точки зрения. Соотвественно, продолжение дискуссии имеет смысл в двух случаях. Одна возможность связана с тем, что берется картина мира в рамках физикализма и рассматривается каким образом в этом случае возможна несводимость биологии к физике. Другая возможность состоит в описании альтернативной картины мира, однако на этом пути, с моей точки зрения, мы должны будем выйти за рамки современной физики.

_____________________

Давайте вначале начнем с оперного зала. Я работаю с инженерами в области виртуального испытания виртуальных устройств и могу сказать, что в настоящее время оперный зал конструируется и опробывается виртуально. Это включает в себя прочность, акустику, вентиляцию, температурный режим, освещение. Далее идет электроника, которая добавляет электромагнитные расчеты. Так вот, все это испытывается виртуально благодаря знанию законов физики. Виртуальные испытания в наше время — это часть процесса разработки любого изделия.

Кстати, я слышал что есть специальные программы для хореографов, которые позволяют понять, какие движения человека возможны, какие нет. Ведь в конечном итоге кинематика человеческого тела ограничена и ее вполне возможно успешно моделировать.

Далее мы переходим к материалам и особенностям функционирования человеческого тела. На этом этапе мы через ряд промежуточных ступеней в конечном итоге спускаемся на уровень химии и квантовой механики. Законы физики также работают.

Естественно, что остается открытым вопрос про само художественно произведение и его восприятие. На этом пути мы покидаем экспериментальную науку и оказываемся в рамках спекулятивной философии. Тем не менее, многие физики занимают в этом вопросе бескомпромиссную позицию полного и окончательного редукционизма. Их можно понять, поскольку сложно себе представить успешно работающего физика, который не верит во всемогущество законов физики.

Вопрос сводимости не связан напрямую с решением практических задач, а также с предсказанием поведения физической системы

Одно из возражений против сводимости биологии к физике связано с невозможностью использования фундаментальных законов физики для решения практических задач, а также с невозможностью однозначного прогноза поведения сложной физической системы. Речь, однако, совсем не об этом. В данном контексте полезно вспомнить утверждения ученых по поводу не решенных научных задач, например, возникновение жизни или вопрос наличия сознания. Типичный ответ в данном случае выглядит так: мы еще этого не знаем, но непременно узнает это в будущем. Соотвественно, вопрос сводимости биологии к химии следует рассматривать именно в этом контексте. В противном случае, смысл обсуждения просто теряется.

Если встать на сторону решения практических задач или прогноза поведения сложных физических систем, то получится, что с этой точки зрения мы не сможем даже сказать, что система с живым подчиняется законам физики. Практически никто не спорит с утверждением, что живое подчиняется законам физики. Однако, собственно говоря, почему? Почему это утверждение воспринимается как очевидное? Ведь оно не следует логически из экспериментальных наблюдений. Это просто экстраполяция того, что мы знаем, в область того, что мы не знаем.

Вопрос поэтому заключается в том, что означает утверждение «абсолютно несводимы к физике». Если речь идет про решение практических задач, то в этом случае спора нет и обсуждать просто нечего. Однако, означает ли несводимость то, что системы с живым не подчиняются законам физики, или то, что законов физики принципиально недостаточно для описания системы с живыми организмами. Именно последние вопросы связана с обсуждением сводимости/несводимости, но они явно выходят за пределы экспериментальной науки. Также вопрос о том, существует ли демон Лапласа при обсуждении этих вопросов не играет роли.

Стохастичность в квантовой механике

Продолжение возражения выше связано с привлечением квантовой механики, поскольку в отличие от классической механики теория квантовой механики завершается расчетом вероятности событий.

В данном случае полезно рассмотреть две популярные интерпретации квантовой механики — копенгагенскую и многомировую. В рамках первой схлопывание волновой функции является статистическим процессом. Следует отметить, что до схлопывания волновой функции говорить о траектории как таковой смысле нет, есть просто вероятности нахождения частицы в том или ином месте. Получается, что предсказание в данном случае носит статистический характер и описание мира напоминает стохастическую динамику.

В случае многомировой интерпретации все получается несколько интереснее. Сама квантовая система будет полностью детерминистической (схлопывание волновой функции не происходит). При этом важно отметить, что квантовая механика является линейной и в ней невозможно возникновение хаоса, то есть, расчет динамики квантовой механики существенно проще, чем расчет динамики классической механики. Проблема в том, что наблюдатель уже не знает в каком из миров он находится и статистической предсказание возращается уже на этом уровне.

Как бы то ни было, мы приходим к стохастических процессам, однако стохастичность — это не неоднозначность. Более точно, следует сказать, что нам следует уточнить, о какой неоднозначности идет речь, при переходе к стохастическим процессам. Стохастичность описывается фукцией распределения вероятности и в этом смысле функция распределения является полным описанием и предписанием.

Можно, например, рассмотреть классический двухщелевой эксперимент с электроном. Один электрон одновременно летит по всем возможным тракторием и его столконовение с экраном является стохастическим событием. Однако, в конце концов, мы однозначно получаем предсказываемую квантовой механикой интереференционную картину. В этом отношении никаких сюрпризов в этом эксперименте возникнуть не может.

Другой пример, это радиоактивность. Распад отдельного атома — это стохастическое событие. Однако это не мешает существованию закона радиоактивного распада. Стохастичность не привносит сюрпризов. В этом отличие стохастичности от неоднозначности.

Вопрос сводимости связан с картиной мира (с мировоззрением)

Как я уже упоминал выше, суть проблемы сводимости биологии к физике связан с убеждением о том, как устроен мир, то есть, каким образом система переходит из предыдущего состояния в последующее сама по себе. Подразумевается, что принимается гипотеза о существовании мира до происхождения человека и даже до возникновения жизни. Вопрос становится следующим: как в те времена осуществлась смена состояний. Напомню, что мы вышли за рамки экспериментальной науки и мы обсуждаем экстраполяции за пределы того, что мы знаем. Объяснение в этом контексте будет в большей степени частью мировоззрения, когда мы формулируем свои убеждения в том, к какому знанию должна прийти наука. В этом отношении я переведу определение физикализма из Философской энциклопедии Стэнфордского университета

‘Общая идея заключается в том, что характер реального мира (Вселенной и всего, что в ней находится) согласуется с определенным условием, условиям физического бытия. Конечно, физикалисты не отрицают, что мир может содержать много элементов, которые на первый взгляд кажутся не физическими — объекты биологического, психологического, морального или социального характера. Однако они настаивают, что в конце концов такие предметы или физические или вытекают из физического.’

При рассмотрении этой проблемы имеет смысл начать с точки зрения физиков, поскольку исходной точкой является мир неживого, который принадлежит физике. В конечном итоге, есть желание представить свое мировоззрение в таком виде, в каком оно согласуется с современной наукой. Физика начинается с неумолимых законов физики, когда закон физики является полным описанием происходящего, а именно, закон необходим и достаточен для описания перехода системы из предыдущего состояния в последующее. Это утверждение без особых проблем переносится на квантовую механику, когда в рассмотрении появляется стохастичность. Просто в данном случае полное будет означать все, что можно узнать о системе. Другими словами, число уравнений в физике совпадает с числом неизвестных.

Кратко картину мира физиков можно описать таким образом. Берем клетку и спрашиваем, из чего состоит клетка. Список состоит из ряда частей клетки. Далее спрашиваем из чего состоят эти части клетки. Предполагается, что на некотором этапе при повторении этого вопроса мы придем к молекулам, то есть, к ядрам и электронам. Обратный процесс идет в таком же порядке. Квантовая химия объясняет, как работает химическая и межмолекулярная связь. На этом пути мы понимаем как устроены молекулы и взаимодействия между молекулами. Например, в клетке большую роль играют белки. Понимание того, как работают белки как раз обязано квантовой механике. От молекул путем статистической термодинамике мы переходим на ступень выше, и т.д. Однако на более фундаментальном уровне все сводится к ядрам и электронам (возможно потребуется еще электромагнитное поле). Для простоты я остановился на ядрах и электронах, можно еще спуститься вниз на уровень элементарных частиц.

Рассмотрение проблемы сводимости имеет смысл при движении от простого к сложному. Поэтому, с моей точки зрения, при разговоре о биологии можно вначале ограничиться бактериями. Поэтому первый вопрос для простоты состоит в том, сводится ли биология бактерий к физике или нет. Когда мы его разберем, можно будет попробовать подняться по древу жизни повыше.

При рассмотрении физикализма когнитивный диссонанс получается при рассмотрении вопросов сознания. Возникает много неразрешимых противоречий, поэтому я предпочитают остановиться на более простом уровне, поскольку если не удается достичь согласия на этом уровне, то не имеет смысл продолжать дальше.

В любом случае исходной точкой отсчета явлется рассмотрение изменения состояния системы без живого. Например, физики говорят, что Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, за котором последовало образование звезд, галактик и планет. На этом пути система последовательно переходила из одного состояния в другое и физики утверждают, что современные теории физики прекрасно описывают эти переходы. В проведенных обсуждения есть случаи, когда мы не смогли преодолеть даже этот этап. Однако, переход к поведению организмов имеет смысл только после достижения согласия на уровне описания неживой природы. Если согласиться с физиками, что неумолимые законы физики дают полное описание перехода состояния системы из предыдущего состояния в последующее, то последующие рассмотрение пойдет примерно так. Рассмотрим систему с бактериями. Согласно предположению о том, что нам не требуется новых законов физики, законы физики будут в этом случае также давать полное описание при переходе из предыдущего в последующее состояние. И так далее. Поведение, в конечном итоге, будет всего лишь удобным способом разговора про живое.

Отмечу еще раз, что даже утверждение о том, что системы с живым подчиняются законам физики, является убеждением, поскольку оно не следует напрямую из экспериментальных результатов. Это представление именно картины мира, в котором система состоит из физических объектов, и поэтому они подчиняются законам физики. Соответственно, вопрос полноты описания теории физики, то есть, вопрос достаточности законов физики для перехода и из состояния 1 в состояние 2 должен также рассматриваться на этом уровне.

В заключение отмечу основную проблему с иерархической картиной мира. В ней совершенно непонятно каким образом происходит взаимодействие разных иерархий. Грубо говоря, мы приходим к политеизму, когда в дополнению к богу физики появляется богиня биологии. Однако непонятно, каким образом разные боги разрешают возникающие конфликты. Эта проблема хороша видна при обсуждении возникновения жизни. Предположим, что есть две различные иерархии для живого и неживого. Далее предположим, что было время, когда живое не существовало. Вопрос в том, каким образом в рамках данных предположений возникла жизнь.

Биологи в этом смысле непоследовательны. Биологи хотят показать несводимость биологии к физики в смысле объяснения на фундаментальном уровне, но при этом биологи с удовольствием объясняют более высокие уровни организации (сознание, мораль, эмоции, и т.д.) на уровне биологии.

Картина мира современной физики в виде игры Жизнь

В проведнных обсуждения я не упоминал игру Жизнь, хотя она является прекрасной иллюстрацией того, что физики думают об устройсте мира. Игра Жизнь периодически используется физиками в качестве аналогии картины мира. Переход к квантовой механике мало что меняет в этой аналогии: описание просто становится стохастическим, то есть, правила перехода из одного состояния в другое определяются случайной величиной. Однако само распределение случайной величины либо остается постоянным, либо меняется по вполне определенным законам. Таким образом, именно физика определяет закон по которому генерятся случайные числа.

Что я думаю об этой проблеме?

1) Вопрос принадлежит спекулятивной философии (метафизике) и выходит за пределы экспериментальной науки.

2) Крайне сомнительно, чтобы в рамках физикализма можно представить себе иерархическую картину мира без сводимости более высоких уровней к физическому. Я, например, не вижу возможности создания математической модели, которая бы соотвествала такому иерархическому миру.

3) Отказ от физикализма связан с введением альтернативной физике. Физика, которую мы знаем, неизбежно ведет к физикализму.

4) Вопрос становится таким образом. Если не физикализм, то какую картину мира вы предлагаете?

Информация

См. также Борис Жуков о законах физики

Обсуждение с bbzhukov

https://ivanov-petrov.livejournal.com/2135725.html?thread=124948653#t124948653

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/185913.html

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/186808.html

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/188066.html

Обсуждение с snegsever

https://don-beaver.livejournal.com/200293.html?thread=7951461#t7951461

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/187573.html

Обсуждение с systemity

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/185913.html?thread=2247993#t2247993

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/187800.html

Обсуждение с wampus_999

https://wampus-999.livejournal.com/38530.html

Обсуждение с nibope и verum_corpus

https://nibope.livejournal.com/1172554.html

Обсуждение

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/188310.html

P.S. Некоторые ответы Жукова, которые не столь существенны для содержания самого обсуждения.

‘но я-то уж точно не обсуждал и не собирался обсуждать физику.’

‘Лично я считаю, что сказать «биология несводима к физике» не означает обсуждать физику.’

‘>Мир переходит из предыдущего состояния в последующее по законам физики. Законы физики полностью определяют такой переход
И почему же до сих пор такой проблемой является точный прогноз погоды? Неужели и тут какой-то витализм?’

Как пишет Кэрролл этого уравнения достаточно для описания всех процессов, протекающих на Земле. Вот вам, пожалуйста, одно уравнение для всех случаев жизни.
Боюсь, что моя квалификация категорически недостаточна для обсуждения этого уравнения по существу. Но если это действительно так и если оно при подстановке соответствующих значений совершенно однозначно описывает переход любой физической системы из любого текущего состояния в следующее — почему бы доктору Кэрроллу не использовать его хотя бы для точных и однозначных прогнозов погоды — посрамляя тем самым метеолорогов всего мира с их жалкими отговорками насчет нестационарности процессов?’

‘Вы все время пытаетесь представить частное мнение отдельных физиков (причем по вопросу, не являющемуся предметом их профессиональных занятий) в качестве вывода физики как научной дисциплины. Но физиков — в том числе и знаменитых — много, и среди них можно найти сторонников самых разных точек зрения. ‘

Выражение «каузальная замкнутость», как и всякое выражение, не говорит ровно ни о чем — это просто сочетание слов. Что же касается принципа каузальной замкнутости, это некое утверждение, поддерживаемое некоторыми физиками и философами (которые, впрочем, расходятся друг с другом в том, насколько категоричен этот принцип), оспариваемое другими и безразличное третьим. Эвиденциальный статус этого утверждения неясен, но в любом случае это не факт и не физический закон. Более того — справедливость этого принципа не может быть доказана ни логически, ни эмпирически. ‘

‘Если мне попадется человек, утверждающий, что Волга впадает в море Лаптевых, меня, может, и заинтересует, какие аргументы он может привести в пользу своего экстравагантного мнения (не настолько, впрочем, чтобы ради этого читать многие сотни страниц — так что если он за аргументами отошлет меня к каким-то книгам, я пошлю его кой-куда еще). Но это не значит, что меня интересует вопрос о том, в какое море впадает Волга. Я тут вопроса не вижу.’

‘Ну и маленькое уточнение — слово «исследователи» применительно к рекомендуемым Вами авторам. Исследователи-то они, конечно, исследователи, да только совсем в других областях. А в обсуждаемом вопросе они, извините, такие же дилетанты, как я или Вы.’

На всякий случай список дилетантов, о которых говорит Жуков

Francis Crick, Of Molecules and Men, 1966.

С. Вайнберг, Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы, 2004.

Хокинг Стивен, Млодинов Леонард, Высший замысел, 2012

Sean Carroll, The Big Picture: On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself

Nigel Goldenfeld and Carl Woese. Life is physics: evolution as a collective phenomenon far from equilibrium. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2, no. 1 (2011): 375-399.

Волькенштейн, М. В. (1973). Биология и физика. Успехи физических наук, 109(3), 499-515.

Иваницкий ГР. XXI век: что такое жизнь с точки зрения физики. Успехи физических наук. 2010 Apr 1;180(4):337-69.

_________________

Вот, к примеру, один из вопросов с моей стороны, который вы отказались ответить.

Вопрос. Общий вопрос состоит в том, нужно ли для описания перехода из состояния 1 в состояние 2 что-нибудь еще кроме законов физики?

Ответ. Общий ответ гласит: «Понятия не имею!». Я не знаю, о какой системе идет речь, что за состояния 1 и 2, чем определяется переход из одного в другое и какой набор параметров мы будем считать полным (или достаточным) описанием. В такой форме этот вопрос, на мой взгляд, просто лишен смысла.

Продолжение вопроса. При рассмотрении моего вопроса о достаточности законов физики для перехода системы из состояния 1 в состояние 2 вы можете взять любую физическую систему, которая вам нравится.

На это с вашей стороны последовало молчание. Это означает, что вам нечего сказать.


Comments are closed.