Метафизика в науке. Разделы 1-3.

[alevlakam]

Перевод статьи из книги "The Oxford Handbook of Philosophy of Science [Humphreys P. (ed.)]. Oxford University Press. 2016".

Разделы:

1. Введение

2. Из чего всё состоит?

3. Идентичность и индивидуальность

Метафизика в науке

Ричард Хили (Richard Healey), Университет Аризоны

Оксфордский справочник по философии науки. Под редакцией Пола Хамфриса (Paul Humphreys).

Аннотация и ключевые слова

Наука трансформировала, хотя и не решила, некоторые метафизические проблемы, одновременно ставя новые. Метафизические идеи, такие как идеи древних атомистов, иногда оказывались полезными для разработки новых научных теорий. Однако широко распространенное согласие относительно эмпирически обоснованного прогресса, достигнутого в науке, часто противопоставлялось тому, что представлялось заумными и бесконечными спорами о метафизических утверждениях. Карл Поппер стремился разграничить научные и метафизические, а также другие утверждения, апеллируя к их эмпирической фальсифицируемости, в то время как Рудольф Карнап и другие логические позитивисты отвергали метафизические утверждения как когнитивно бессмысленные, поскольку они не являются ни эмпирически проверяемыми, ни истинными по смыслу. В данной статье некоторые современные взгляды на то, как наука соотносится с метафизикой, рассматриваются только после обсуждения влияния науки на более конкретные метафизические вопросы — состав, идентичность и индивидуальность, время и изменение, детерминизм, причинность, законы, вероятность и первенство фундаментальной физики.

Ключевые слова: наука, метафизика, физический состав, идентичность и индивидуальность, время и изменение, детерминизм, причинность, физические законы, вероятность, фундаментальная физика

1. Введение

Хотя наука, возможно, была порождена досократовской метафизикой, но оказалась непослушным ребёнком. Наука трансформировала, хотя и не решила, некоторые метафизические проблемы, одновременно ставя новые. Метафизические идеи, такие как идеи древних атомистов, иногда оказывались полезными для разработки новых научных теорий. Однако широко распространенное согласие относительно эмпирически обоснованного прогресса, достигнутого в науке, часто противопоставлялось тому, что представлялось заумными и бесконечными спорами о метафизических утверждениях. В XX веке Карл Поппер стремился разграничить научные и метафизические, а также другие утверждения, апеллируя к их эмпирической фальсифицируемости, в то время как Рудольф Карнап и другие логические позитивисты отвергали метафизические утверждения как когнитивно бессмысленные, поскольку они не являются ни эмпирически проверяемыми, ни истинными по смыслу.

Хотя У. В. О. Куайн разделял точку зрения Карнапа на философию как логический анализ науки, он выдвинул важные возражения против позитивистских взглядов на смысл и доказательства. Вместо этого он отстаивал холистический подход к смыслу и подтверждению гипотез, который многие истолковали как подразумевающий, что метафизика неразрывно связана с высокотеоретической наукой и неотличима от нее по своим методам. По этой и другим причинам метафизика снова активно изучается, даже теми, кто не желает принять холизм Куайна.

Краткую оценку современных взаимоотношений между философией науки и возрождающейся метафизикой я предлагаю лишь после рассмотрения влияния науки на ряд более конкретных метафизических вопросов.

2. Из чего всё состоит?

Было высказано предположение, что метафизика это по существу попытка дать общее описание базовой реальности. Но остаётся неясным, почему наука или, по крайней мере, наиболее теоретические её части не должны считаться «метафизикой» по этому определению (см. Van Inwagen 2007). Действительно, атомная теория зародилась как один из ответов, предложенных философами-досократиками на вопрос «Из чего всё состоит?». Идея о том, что всё в конечном итоге состоит из некоего фундаментального типа вещей, продолжает занимать видное место в современной аналитической метафизике. Продолжаются дискуссии о том, какие вещи являются фундаментальными и в силу чего из них составляется что-либо ещё. Эти дискуссии иногда ведутся на уровне формальных обобщений, для которых эмпирические соображения, похоже, неактуальны, например, когда свойства или факты претендуют на фундаментальную онтологию, а отношение композиции (вхождения в структуру) полностью характеризуется аксиомами мереологии (см. Varzi 2003). Но если базовая реальность имеет какую-либо связь с эмпирическим миром, то научные открытия нельзя игнорировать в метафизике.

Согласно самым точным из современных научных данных, не всё в физическом мире состоит из атомов или составляющих их частиц. Свет не состоит из атомов, как и нейтрино или другие элементарные частицы, в том числе недавно открытый бозон Хиггса. Считается, что вместе эта «обычная материя» составляет всего 5% от негравитационной массы/энергии Вселенной. Наши лучшие современные физические теории — это квантовые теории поля. Но хотя теории взаимодействующих квантовых  полей являются ключевыми компонентами того, что часто называют Стандартной Моделью элементарных частиц, они не описывают частицы в буквальном смысле, и ни физики, ни философы не пришли к консенсусу относительно их фундаментальной онтологии. [Примечание: Healey (2013, Section 6) содержит ссылки на работы по онтологии квантовых теорий поля и обсуждает различные отношения композиции, используемые в физике.]

Современная физика использует множество различных отношений композиции/декомпозиции, включая агрегацию, суперпозицию и отношение подсистемы/надсистемы. Они различаются по своим формальным свойствам и не могут быть объединены в какое-либо единое отношение физической композиции, которое могло бы придать смысл вопросу «Из чего всё состоит?». Если говорить в более позитивном ключе, достижения в физике показали новых кандидатов на роль фундаментальной онтологии, а также то, как эта фундаментальная онтология может породить всё остальное в мире.

Научные теории оказывали влияние на метафизические дебаты о природе и существовании пространства и времени, по крайней мере, со времен Ньютона. Центр дискуссии сменился после того, как стало считаться, что теория относительности объединяет эти понятия в новую категорию пространства-времени. В то время как некоторые утверждали, что пространство-время существует независимо от материи, Эйнштейн пришел к выводу, что его общая теория относительности представляет пространство-время как не существующее независимо от метрики гравитационного поля (см. Einstein 1916/1961: fifth appendix). Это лишь один из примеров того, как изменившиеся представления о пространстве, времени и материи трансформировали традиционные метафизические дебаты между субстантивализмом [substantivalism, также называется субстанциализм и субстантивизм] и реляционизмом (relationism) о пространстве и времени.

Эти изменения продолжаются, поскольку теории струн предполагают, что физическое пространство может иметь десять или более измерений, петлевая квантовая гравитация (и другие новые теории) исследуют возможность того, что пространство-время не является фундаментальным, а возникает в некотором пределе из квантовой теории, установленной в совершенно ином пространстве, а некоторые предлагаемые пересмотры квантовой теории постулируют в качестве фундаментального (конфигурационное) пространство с огромным числом измерений (см. Albert 1996).

Теория относительности, как правило, отдает предпочтение фундаментальной онтологии событий или процессов в пространстве-времени, а не пространственно локализованным материальным объектам, существующим во времени. Физик иногда использует термин «событие» в контексте, где философ использовал бы термин «пространственно-временная точка» для обозначения наименьшей части пространства-времени. Но материальные объекты — это не что иное, как набор дискретных пространственно-временных локализованных событий — «вспышек» — в одной из теорий объективного коллапса (Objective-collapse theory), предложенной в качестве концептуально беспроблемного улучшения существующих формулировок квантовой теории. [Примечание: Maudlin (2011: ch. 11) — хорошее введение в эту гипотезу.]

Атомная теория предлагала парадигму физической композиции, в которой взаимное пространственное расположение и, возможно, некоторая межатомная сила объединяли атомы как составляющие части материального объекта, способного сохраняться во времени. Современная наука предлагает альтернативную модель, в которой менее фундаментальный объект может возникать как более или менее устойчивая динамическая структура, образованная поведением более фундаментальных объектов: примерами являются волновые явления на воде, красное пятно Юпитера, а также фононы и другие разновидности квазичастиц в физике конденсированных сред. Некоторые современные последователи Эверетта утверждают, что материальные объекты, люди и другие организмы, и, собственно, мир, в котором мы находимся, возникают как динамические структуры в квантовом состоянии Вселенной (наряду со многими другими подобными возникающими мирами, которые вместе образуют мультивселенную; см. Wallace 2012).

3. Идентичность и индивидуальность

Природа и условия идентичности индивидуальных объектов стали важными фундаментальными темами в современной науке, как биологической, так и физической. В эволюционной биологии тезис о том, что виды — это индивидуальные объекты, бросил вызов традиционной идее о том, что виды — это естественные типы, а природа индивидуальности стала центральной темой исследований биологов и философов, изучающих такие важные переходные процессы, как, например, слияние клеток в многоклеточные организмы.

Физики и философы ставили под сомнение статус квантовых частиц как отдельных объектов, а также применимость принципа тождества неразличимых (ПТН) Лейбница: аналогичные вопросы возникают и для пространственно-временных точек в общей теории относительности. Разрешение этих вопросов является одной из целей влиятельной в настоящее время программы структурного реализма в метафизически ориентированной философии науки.

Хотя в биологии живые организмы почти всеми признаются индивидуальными объектами, необычайное разнообразие жизни ставит перед биологами сложные задачи, в которых неясно, является ли что-либо организмом или как следует индивидуализировать организмы. Вирусы, муравьиные колонии и 1500-летний «огромный гриб», обнаруженный на обширной территории северного Мичигана, — три таких примера. Ван Инваген (Van Inwagen 1995) утверждал, что живые организмы (в отличие от обычных физических объектов) — единственные существующие составные вещи, оставляя биологии право определять, что это такое. Не только организмы, но и органы, гены, клетки, митохондрии, группы и виды — все они претендуют на статус биологических индивидов (см. Wilson and Barker 2013). Общим для всех этих случаев является идея о том, что индивидуальный объект — это нечто пространственное, существующее во времени во взаимодействии с окружающей средой.

Обращаясь к роли концепции вида в эволюционной биологии, Гиселин (Ghiselin 1997) и Халл (Hull 1989) утверждали, что виды — это индивидуальные объекты, а не классы. Этому выводу сопротивлялись даже многие, кто признает важность популяционного мышления и отвергает биологический эссенциализм (см. Kitcher 1984; Crane 2004 — ответ одного из метафизиков).

Лейбниц обратился к биологическим объектам, чтобы проиллюстрировать свой знаменитый принцип тождественности неразличимых, рассказав историю об «остроумном господине», который думал, что сможет найти два одинаковых листа в саду принцессы; после долгих поисков этот господин потерпел неудачу, потому что «он был убежден своими глазами, что всегда может заметить разницу». Господину было бы лучше в своих поисках неразличимых, но различных индивидуальных объектов обратиться к фундаментальной физике. Физики используют термин «идентичный» для обозначения частиц (или других физических объектов), которые обладают всеми одинаковыми внутренними физическими свойствами, такими как масса и заряд. Согласно современной теории, любые два электрона (например) идентичны в этом смысле, хотя и (разумеется) не в строгом смысле, как один и тот же электрон.

В классической физике пару «идентичных» электронов можно было бы различить по их внешним свойствам, поскольку должны различаться их пространственно-временные траектории. Но, согласно (ортодоксальной) квантовой теории, электроны не имеют пространственно-временных траекторий, и два электрона в атоме гелия (например) нельзя различить друг от друга ни по внутренним, ни по внешним свойствам, как и два фотона в лазерном луче. Однако у электронов и фотонов разные способы быть «идентичными». Если рассматривать совокупность «идентичных» бозонов (таких как фотоны), квантовая волновая функция, если поменять бозоны местами, остается той же, тогда как для совокупности «идентичных» фермионов (таких как электроны) волновая функция умножается на –1. Различие между фермионами и бозонами имеет важные физические проявления. [Примечание: Фермионный характер электронов обуславливает принцип исключения (принцип Паули), определяющий основные особенности периодической таблицы химических элементов, в то время как бозонный гелий становится сверхтекучим при очень низких температурах.]

Мы часто рассматриваем элементарные частицы, включая электроны, как базовые составляющие материи (см. Раздел 2). Если они не являются различимыми индивидами, то неясно, как они могут составлять пространственно различные материальные объекты или живые организмы. Квантовая теория поля предлагает иной взгляд на электроны: фотоны и другие так называемые элементарные частицы как возбужденные состояния («кванты») некоторого более фундаментального поля — электронного, электромагнитного поля или других полей Стандартной модели физики высоких энергий. Теллер (Teller 1995) утверждает, что «идентичные» кванты такого поля нельзя пометить, подсчитать или индивидуализировать каким-либо иным способом (он говорит, что им не хватает «примитивной идентичности» [«этости», thisness]). Хаггетт (Huggett 1997) соглашается с последним утверждением, но отвергает аргументы Теллера по первым двум: кванты могут существовать как метафизически различные и сохраняться (в течение некоторого времени), даже если мы не можем различить или отследить их во времени, и их нельзя модально переключать. Возможно, этого достаточно, чтобы придать им индивидуальность.

Если квантовые частицы являются индивидуальными объектами, то они, по-видимому, опровергают ПТН Лейбница. Некоторые пытались сохранить этот принцип, в то время как другие пришли к выводу, что квантовые частицы не являются индивидуальными объектами. [Примечание: книга Френча (French 2011) — хорошее введение в этот вопрос со множеством ссылок.]

Можно попытаться спасти ПТН, апеллируя к отличительным особенностям «идентичных» квантовых частиц, которые не замечает ортодоксальная квантовая теория: такие особенности обычно называют скрытыми переменными. Например, согласно бомовской механике (которая, возможно, эмпирически эквивалентна ортодоксальной квантовой механике), каждый электрон (или другая массивная частица) имеет свою особую, непрерывную траекторию. Или можно принять ослабленную форму ПТН, согласно которой двух индивидов можно различить не по каким-либо внутренним или внешним свойствам, а по наличию между ними нерефлексивного отношения. [Примечание: см. работу Сондерса (Saunders 2003), который считает, что электроны в атоме гелия имеют характерное квантовое нерефлексивное отношение, которое мы могли бы назвать «наличием противоположных спинов», хотя ни один из них не имеет определенного спина! Другие исследователи распространили эту линию аргументации на произвольные конечные множества «идентичных» бозонов, а также фермионов.]

Альтернативный вариант заключается в том, что квантовые частицы существуют, но не являются индивидуальными объектами, поскольку у них нет самоидентичности (self-identity). Не сразу ясно, что это означает: безусловно, это противоречит принципу Куайна «нет сущности без идентичности». Тем не менее, Френч и Краузе (French and Krause 2006) поставили перед собой задачу разработать формальную структуру, которая позволила бы осмысленно говорить о (квантовых) объектах, которые не являются индивидуальными объектами.

Однако квантовые поля Стандартной модели взаимодействуют, и, по-видимому, ни частицы, ни кванты не могут быть восстановлены в качестве онтологии теории взаимодействующих квантовых полей (см. Fraser 2008; Ruetsche 2011). Если это так, то в настоящее время фундаментальная физика сама по себе не описывает элементарные частицы — ни как индивидуальные объекты, ни как неиндивидуальные. Их статус эмерджентных сущностей может склонить метафизика, ищущего базовые составляющие, приостановить исследования или поискать их где-нибудь еще.

Одно из направлений поиска — это точки или области пространства-времени (см. Stachel 2002; Wallace and Timpson 2010). Общая теория относительности может быть интерпретирована как теория структуры пространства-времени, а алгебраическая квантовая теория поля наиболее естественно понимается как теория, приписывающая квантовые состояния областям пространства-времени. Утверждается, что перестановка точек в многообразии, представляющем пространство-время, оставляет все неизменным (т.е. не представляет никакого отдельного возможного мира/состояния мира). Это поднимает вопрос о том, являются ли точки (или области) пространства-времени индивидуальными объектами. [Примечание: В разделе 8 мы вновь рассмотрим вопрос об индивидуальности точек пространства-времени и квантовых частиц.]

Хотя не очевидно, что общая теория относительности приписывает какие-либо свойства точкам пространства-времени (см. раздел 6), она, безусловно, приписывает свойства (например, соответствующие значениям величин, пределы которых определяют кривизну) компактным областям, а алгебраическая квантовая теория поля приписывает им состояния. Наша Вселенная настолько сложна, что в любой точной модели эти свойства могут служить для индивидуализации этих областей в соответствии с ПТН. Это было бы неверно в более простой, более симметричной Вселенной, но философы науки с удовольствием оставят такие вселенные чистым метафизикам.