Начало: Понятна ли классическая механика? Математика и материя
Шон Кэрролл характеризует квантовую механику таким образом:
‘Квантовая механика занимает уникальное место среди физических теорий, так как в ней проводится явное отличие между тем, что мы видим, и тем, что есть на самом деле.’
Однако явное отличие видимости от реальности есть уже на уровне классической механики, поскольку развитие современной науки пропитано духом атомизма. Как говорят, видимый человеческий мир на самом деле состоит из движущихся атомов, между которыми действуют силы притяжения и отталкивания. Квантовая механика в интерпретации Кэрролла добавляет к этой картине крайне своеобразные черты, которые делают ее еще удивительнее. Тем не менее, перед обсуждением квантовой механики разумно вначале рассмотреть этот вопрос на уровне классической механики.
Парадигматическим примером является связь между классической термодинамикой и статистической механикой. На уровне человека существуют макросистемы, которые неплохо описываются на уровне классической термодинамике. Тем не менее, на самом деле макросистемы состоят из атомов и использование статистической механики позволяет объяснить происходящее на макроуровне.
Итак, есть разные уровни организации материи. Рассмотрим отношения между ними в рамках классической механики. Более низкий уровень организации объявляются принадлежащим к реальности, то есть, к тому, что происходит на самом деле. В рассматриваемом примере это относится к атомам, поведение которых описывается законами физики. Система из атомов переходит из предыдущего состояния в последующее согласно законам физики (см. рисунок в предыдущей заметке).
Из движения атомов возникают более высокие уровни организации — макросистемы. Их поведение можно описать более простыми уравнениями. Нельзя решить уравнения движения для огромного количества атомов, образующих макросистему, но статистическое рассмотрение вполне позволяет объяснить возникновение простых уравнений из фундаментального описания на уровне атомов. В этом смысле говорят, что классическая термодинамика сводится к статистической механике.
Возникает вопрос о причинно-следственных связях. Можно ли сказать, что поведение системы на макроуровне хоть каким-то образом влияет на движение атомов? Ответ должен быть отрицательным. Атомы перемещаются из предыдущего состояния в последующее согласно законам физики и их поведение однозначно определено законами физики, начальными и граничными условиями. Поведение макросистемы возникает из движения атомов, но изменение состояния макросистемы никак не может изменить движение тех самых атомов.
В этой связи говорится о каузальной замкнутости законов физики и тем самым каузальной замкнутости более низкого уровня организации материи. Как следствие, более высокий уровень организации материи становится эпифеноменом. Нечто имеет место, но это нечто не участвует в причинно-следственных связях. Поскольку более низкий уровень организации самодостаточен, то более высокий уровень организации ни на что не может повлиять.
Рассмотрение понимания и объяснения непосредственно связано с обсуждением уровней организации, поскольку человеческое в научной картине мира сводится к одному из высших уровней организации материи. Рассмотрим эту проблему вначале на следующем примере из книги Кэрролла:
‘Все изменилось благодаря умному пареньку по имени Исаак Ньютон. В 1687 году он опубликовал книгу «Начала математики», важнейшую работу в истории физики. Именно в ней были изложены основы так называемой классической, или попросту ньютоновской, механики. Ньютон смахнул, словно пыль, все эти древние разговоры о природе и целях, явив то, что скрывалось под ними: ясный и строгий математический аппарат, которым преподаватели и по сей день продолжают пытать студентов.’
В целом понятно, что хотел сказать Кэрролл. Был Исаак Ньютон, он в результате размышлений и опытов нашел математическую формулировку законов, которые в том числе позволили объяснить законы Кеплера и движение планет вокруг Солнца. Далее изложение классической механика на базе законов Ньютона было существенно улучшено в работах последующих ученых. На этом уровне рассмотрения истории создания классической механики все понятно: есть люди, они понимают, познают мир, наблюдают, проводят опыты, создают теории, объясняют.
Однако далее возникает убеждение, что найденная физическая теория дает истинное представление об устройстве мира. Далее говорится, что человек — это часть мира, поэтому требуется вписать человека в это представления о мире. По крайней мере Шон Кэрролл говорит именно таким образом. В его книге можно увидеть две линии размышлений. Во-первых, подчеркивается приоритет законов физики над человеческим:
‘Тот факт, что мы не можем предсказывать будущее, не равнозначен идее, что мы можем свободно творить его. Даже в академической квантовой механике человек все равно понимается как совокупность частиц и полей, подчиняющихся законам физики.’
Во-вторых, говорится о возникаемости:
‘Эмерджентный подход – это способ описания мира, не претендующий на полноту, но позволяющий разделить реальность на удобные фрагменты. Нигде в фундаментальных законах физики вы не найдете таких понятий, как «комнаты» и «полы», – они эмерджентны. Это способы описания, позволяющие понять, что происходит, даже если мы не обладаем полной информацией о каждой молекуле и каждом атоме, которые нас окружают.’
Таким образом, из движения атомов в том числе возникает человеческое. Рассмотрим следующее утверждение Кэрролла, которое показывает связь человеческого с движением атомов (если мы ограничимся классической механикой):
‘Идея «принятия решения» отсутствует на уровне фундаментальных законов физики. Это одно из полезных приближений, один из эмерджентных феноменов, которые удобно использовать при описании явлений на уровне человека. То, что мы с вами называем «принятием решения», – это набор нейрохимических процессов, происходящих в мозге. Говорить о принятии решений – нормально, но в этом процессе не участвует ничего сверх обычной материи, подчиняющейся законам физики.’
То есть, человеческое — это по сути дела эпифеномен. Оно возникает, но ни на что не может повлиять. Удобно вводить в рассмотрение человеческие свойства — стараться понять, что-то объяснить, но на самом деле все это определяется процессами в мозге, которые в свою очередь определяются движением и взаимодействием атомов.
Давайте посмотрим на историю создания классической механики с такой перспективы. Физическая система полностью, включая Ньютона и других ученых, переходила из предыдущего состояния в последующее по законам физики. Могли ли идеи этих ученых, их понимание мира и даваемые ими объяснения что-то поменять в эволюции такой физической системы? Из сказанного в книге Кэрролла однозначно следует, что нет. То есть, удобно себе представить развитие идей как было представлено выше, но нельзя забывать, что в этом процессе не было ‘ничего сверх обычной материи, подчиняющейся законам физики’.
Кэрролл замечает, что двумя описаниями, на фундаментальном уровне и на человеческом, нельзя пользоваться одновременно. Однако остается непонятным, что он хотел этим сказать. Должны ли мы отвергнуть описание на фундаментальном уровне? Вряд ли. Должны ли мы признать, что человеческое может повлиять на физическое? Однозначно нет, цитаты выше и другие высказывания в книге это хорошо показывают.
Остается только признать, что человеческое никак не может изменить эволюцию полной физической системы, которая включает в себя людей. Однако, что может означать в этом случае понимание классической механики? Возникновение некоторых эпифеноменов, которые ни на что не влияют?
Продолжение: Шон Кэрролл о супердетерминизме
Информация
Шон Кэрролл, Квантовые миры и возникновение пространства-времени, 2022.
Книга вышла на английском в 2019 году:
Sean M. Carroll, Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime.