Wissenschaftlicher Beweis des Reduktionismus

Ich denke, es gibt hier zwei verschiedene Fragen:

1. Haben wir den Beweis, dass alles aus subatomaren Teilchen besteht und alle Prozesse/Wechselwirkungen auf sie reduzierbar sind?
2. Können alle Phänomene durch die Wechselwirkung subatomarer Teilchen erklärt werden?

Die Antwort auf die erste Frage ist eindeutig zu bejahen , wie in physikalischen Experimenten auf allen Organisationsebenen der Materie gezeigt wurde: subatomare Teilchen, Kerne, Atome, Moleküle, Festkörper/Flüssigkeiten/Gase usw.

Die zweite Frage ist kniffliger, da wir es hier mit den emergenten Phänomenen zu tun haben, bei denen die Materie Verhaltensweisen zeigt, die sich sehr von dem unterscheiden, was man mechanistisch aus dem Wissen der unteren Organisationsebenen hätte vorhersagen können. Andererseits besteht, wie bereits oben betont, die Materie, die sich an diesen komplexen neuen Verhaltensweisen beteiligt, immer noch aus Elementarteilchen und gehorcht den fundamentalen Gesetzen der Physik. Dies war sehr viel Gegenstand der Debatte um die Frage Erklärt die Physik, warum die in der Biologie beobachteten Gesetze und Verhaltensweisen so sind, wie sie sind? - die Leute scheinen sich über dieses Thema stark zu streiten.

Beachten Sie jedoch, dass man nicht einmal bis zur Biologie gehen muss, um mit reduktionistischer Sichtweise auf Schwierigkeiten zu stoßen: Die statistische Physik und die Theorie kritischer Phänomene (wie Phasenübergänge) wurden im Wesentlichen als Reaktion auf die Unmöglichkeit entwickelt, einige Phänomene mit mikroskopischer Beschreibung zu erklären. Abhängig von ihrem Hintergrund würden einige argumentieren, dass dies einfach die Folge einer begrenzten Rechenkapazität ist , die in Zukunft überwunden werden kann, während andere sagen würden, dass diese Einschränkung unüberwindbar ist oder dass sie wenig zur Erklärung/Verständnis dieses Komplexes beitragen würde Verhaltensweisen.

Update:
Als Beispiel für Reduzieren vs. Erklären könnte man einen geschriebenen Text betrachten.

• Ein solcher Text kann auf die Buchstaben, Satzzeichen und Leerzeichen reduziert werden, aus denen er zusammengesetzt ist, und die Wechselwirkungen zwischen diesen könnten im Detail untersucht werden - zB die statistische Verteilung von Buchstaben oder ihrer Sequenzen, die einigen sehr strengen Regeln für eine bestimmte Sprache gehorchen können , wo einige Sequenzen verboten sind, andere üblich sind. Mit diesen Regeln könnte man versuchen, einen Text zu konstruieren, der wie Englisch aussehen würde ... aber immer noch Kauderwelsch wäre. Beispiele finden sich zB in Shannon's Seminal Paper.
• Man könnte auf einer höheren Ebene arbeiten – der der Worte. Wir können nicht mit Sicherheit sagen, welche erlaubten Buchstabenkombinationen ein Wort ergeben – wir können Wörter nicht erklären , obwohl wir genau wissen, woraus sie bestehen. Sobald wir jedoch ein Wörterbuch haben, können wir Wörter, ihre Wechselwirkungen usw. studieren. Wir könnten versuchen, dieses Wissen zu nutzen, um einen Text zu schreiben ... und es wäre immer noch Kauderwelsch.
• Wir könnten Sätze studieren - es gibt ziemlich strenge Regeln für die Satzstruktur, die als generative Grammatik bekannt ist . (Künstliche) Programmiersprachen werden durch diese Regeln vollständig erklärt und neue Sprachen können nach Belieben konstruiert werden. Aber sie werden immer noch weit entfernt von einer echten menschlichen Sprache sein, auch wenn wir ihre Bestandteile im Detail verstehen.

Eine kurze Antwort könnte lauten: Alles besteht aus Teilchen, aber wir wissen nicht (vollständig), was Teilchen sind.

In einer etwas ausführlicheren Antwort: Was ich gerade „Teilchen“ nannte, ist bereits ziemlich subtil, weil die Mathematik, die ihr physikalisches Verhalten beschreibt, die Mathematik der Quantenfeldtheorie ist, und daher ist es nicht ganz richtig zu sagen, dass die Bestandteile des Kosmos gerecht sind 'Partikel'; sie sind etwas Subtileres, so etwas wie eine Ansammlung von Quantenfeldern.

Wenn es um Ansammlungen solcher „Teilchen“ geht, können in ihrem kollektiven Verhalten Verhaltensweisen entstehen, von denen wir nicht wissen, wie wir sie mit der zugrunde liegenden Feldtheorie der einzeln oder in kleinen Gruppen aufgenommenen Teilchen in Verbindung bringen sollen. Angesichts dessen müssen wir den Reduktionismus nicht sofort aufgeben, denn es ist vernünftig zu glauben, dass solche kollektiven Verhaltensweisen mit der korrekten Beschreibung der Grundbestandteile übereinstimmen oder daraus hervorgehen. Aber es ist nicht vernünftig zu glauben, dass wir diese korrekte Beschreibung bereits in allen Einzelheiten und Genauigkeiten kennen; wir sicherlich nicht. Und es ist auch nicht vernünftig zu glauben, dass der Reduktionismus immer in allen Belangen erfolgreich ist, weil die Phänomene rund um die Quantenverschränkung Gegenbeispiele liefern.

Diese letzte Behauptung muss sorgfältig geprüft werden. Richtig ist, dass, wenn wir „Reduktionismus“ so verstehen, dass physikalische Vorhersagen über raumartig getrennte Teile korrekt erhalten werden können, indem die Teile so betrachtet werden, als ob sie ihre Eigenschaften getrennt mit sich tragen, dann wird der Reduktionismus durch Beobachtungen vom Typ der Bell-Ungleichung widerlegt . Dies sollte jedoch nicht so verstanden werden, dass der Reduktionismus vollständig untergraben wird. Es ist eine subtile Grenze zum Reduktionismus, dessen Auswirkungen auf breitere Phänomene noch unklar sind. Es scheint an einigen Vielteilchenphänomenen beteiligt zu sein, und es kann, wie ich finde, überzeugend argumentiert werden, dass es hinter der Rechenleistung des Quantencomputings steckt.

Mir ist aufgefallen, dass einige Kommentare zur ursprünglichen Frage so reagiert haben, als sei Reduktionismus mit Wissenschaft gleichzusetzen, als ob die erste in Frage zu stellen, die zweite in Frage zu stellen wäre. Ich schätze, man hat Recht, nervös zu sein, unwissenschaftlichen Überlegungen Tür und Tor zu öffnen. Aber um den Punkt zu unterstreichen, den ich hier zur Verschränkung mache, möchte ich zur weiteren Betrachtung entweder des Beispiels der Quantencomputer oder des Beispiels der Cooper-Paare in der BCS-Supraleitung oder vergleichbarer Beispiele in anderen kollektiven Phänomenen einladen. Die zeitliche Entwicklung von zwei Registern in einem Quantencomputer, der Shors Algorithmus ausführt, kann nicht durch eine Beschreibung beschrieben werden, die die Sprache annimmt, „Register A ist so; Register B ist also'. Man kann nur sagen „Register A und B sind so“. Das Cooper-Paar ist Bestandteil einer reduktiven Beschreibung, aber wenn man sagt, dass ein solches Paar aus „zwei Elektronen“ besteht, ist es nicht ganz richtig zu sagen, dass es irgendein X gibt, von dem das Cooper-Paar „zwei X“ in irgendeiner gewöhnlichen Bedeutung des Wortes „zwei“ ist. Masse und Ladung sind „zwei“.$m$' und zwei$e$', aber das Momentum ist nicht 'zwei' irgendetwas. Nahezu alle Energie-Eigenzustände von Elektronen in Atomen sind ebenfalls hochgradig verschränkt, und nur durch losen Sprachgebrauch sagen wir, dass es in Helium „zwei Elektronen“ statt „ein verschränktes Elektronenpaar“ gibt.

Schließlich stellt sich also die Frage, wie eine vollständigere Fundamentaltheorie aussehen würde. Würde es die subtile Tür zu nicht-reduktiven Möglichkeiten offen halten, die bereits in der Quantenverschränkung geöffnet wurde? Gibt es im Kosmos sogar noch reichhaltigere nicht-reduktive Möglichkeiten, direkt auf der Ebene der Beschreibungen der Grundbestandteile? Wir wissen es nicht, aber ich wage zu vermuten, dass die Antwort ja ist.

Es gibt keine „Beweise für Reduktionismus“ in Ihrem Sinne, genauso wenig wie es „Beweise für Falsifikationismus“ oder „Beweise für Positivismus“ gibt. Der Reduktionismus ist ein philosophischer Standpunkt , keine Eigenschaft der Welt, deren wir uns jemals sicher sein könnten.

Sie können Beweise dafür haben, dass der Reduktionismus in bestimmten Fällen funktioniert – zB die Theorie des Standardmodells, die wiederum die Theorie der Restkräfte der Kernkraft generiert – und alle Naturwissenschaften sind voll von solchen Fällen. Aber in jedem Fall, in dem Sie keine reduktionistische Erklärung haben, haben Sie eine philosophische Wahl – Sie können sagen, dass dies eine Herausforderung für reduktionistische Ansätze ist, oder Sie können glauben, dass es nicht mit reduktionistischeren Begriffen erklärt werden kann. Im letzteren Fall haben Sie zwei weitere Möglichkeiten – entweder ist dies eine weitere „fundamentale“ Sache, die zu den Erklärungen hinzugefügt werden kann, mit denen reduktionistische Ansätze alles andere erklären, oder Sie können den Sieg über die Reduktionisten erklären und sagen, der Reduktionismus sei tot.

Es gibt keine Möglichkeit zu beweisen , dass etwas nicht mit Begriffen einer noch unbekannten reduktionistischen Theorie erklärt werden kann. Sie können dies nur für bestimmte reduktionistische Theorien beweisen, die bereits existieren . Es gibt auch keine Möglichkeit zu beweisen, dass etwas reduktionistisch erklärt werden kann , ohne diese Erklärung tatsächlich zu liefern. Und selbst wenn alle bekannten Phänomene mit reduktionistischen Begriffen erklärt wurden, können wir nicht sicher sein, dass wir nicht eines Tages ein neues Phänomen entdecken, das nicht sein kann.

Ob man versucht, den Reduktionismus zu "beweisen" oder zu "widerlegen", wenn man mögliche Erklärungen eines Phänomens untersucht, ist für das Projekt der Naturwissenschaft völlig irrelevant - in beiden Fällen versucht man, wissenschaftliche Erklärungen der Welt zu produzieren.

Beachten Sie jedoch, dass oben das Wort "Beweis" so verwendet wird, wie es in der Frage verwendet wird, aber nicht so, wie es die Wissenschaft normalerweise tut. Wenn wir über Beweise für ein wissenschaftliches Gesetz sprechen, sagen wir nicht, dass wir keine Beweise dafür haben, dass es gilt, nur weil wir nur beobachtet haben, dass es in bestimmten Fällen gilt. Je mehr Fälle wir beobachten, in denen das Gesetz gilt, desto sicherer werden wir, dass das Gesetz „wahr“ ist, bis wir einen Fall beobachten, in dem dies nicht der Fall ist. Das Problem mit dem Reduktionismus ist, dass er in diesem Sinne nicht falsifizierbar ist – wir können keinen Fall beobachten, in dem er nicht gilt, da wir immer glauben können, dass wir einfach noch nicht die richtige reduktionistische Erklärung gefunden haben. Deshalb ist der Reduktionismus eher ein metaphysischer Glaube als eine wissenschaftliche Eigenschaft der Welt.

Ich werde diese Antwort in zwei Teile teilen. Zunächst möchte ich hier eventuelle Kategoriefehler ausräumen/verhindern.

Grundregeln aus der Wissenschaftstheorie

Es gibt Behauptungen, dass das Standardmodell eine Theorie ist, die fast alle Phänomene erklärt, die wir in der Welt sehen. Ich frage mich, welche wissenschaftlichen Beweise diese Behauptung stützen?

Zu sagen, dass eine Theorie beobachtete Phänomene erklärt, bedeutet zu sagen, dass diese Phänomene zu ihren Vorhersagen gehören. Der Beweis für diese Behauptung sind natürlich die Phänomene selbst.

Inwieweit ist diese Behauptung wissenschaftlich?

Mit „wissenschaftlich“ meinen Sie möglicherweise „für wissenschaftliche Analysen zugänglich“ oder „im Lichte einer solchen Analyse gut belegt“. Diese gelten jeweils für falsifizierbare Behauptungen und Behauptungen, deren Vorhersagen mit Beobachtungen übereinstimmen. Wie bereits erwähnt, ist der SM also in beiden Punkten wissenschaftlich.

Es scheint, dass diese Behauptung einige Teile hat

"Diese Behauptung" bedeutet, was der SM behauptet, und nicht die zuvor diskutierte Behauptung, dass der SM beobachtete Phänomene erklärt. Die Teile, die Sie beim Sezieren des SM identifizieren, sind, wie wir die oben genannten Vorhersagen treffen. Um ein viel einfacheres Beispiel zu nennen: Die Behauptung, dass Menschen einen Geist mit bestimmten inneren Zuständen haben, der auf ihren Körper reagiert und ihn auf bestimmte Weise beeinflusst, erklärt das beobachtete Verhalten der Menschen. Sie können Geister oder Quantenfelder nicht direkt sehen, nur ihre beobachtbaren Auswirkungen.

SM-bezogene Phänomene speziell

Warnung: Ich werde einige Beweislinien erwähnen, aber jede wird nur sehr kurz erwähnt.

Es gibt keine fundamentalen Bulk-Effekte, dh es gibt keine fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Teilchengruppen. Alle Eigenschaften im Makromaßstab sind emergente Eigenschaften, die aus Wechselwirkungen im kleineren Maßstab stammen.

Das scheint eine faire Zusammenfassung dessen zu sein, was behauptet wird. Mit anderen Worten, (i) Wechselwirkungen zwischen zusammengesetzten Teilchen sind eine emergente Folge derjenigen zwischen fundamentalen, und (ii) wir nennen diese Wechselwirkungen emergent bzw. fundamental. Während (ii) eine Definition ist, ist (i) eine Behauptung über die Natur.

Welche physischen Beweise gibt es für diese Überzeugungen? Nur weil wir Gesetze finden, die die Beziehungen zwischen Teilchen regeln, und feststellen, dass sie in größeren Maßstäben Bestandteile von Materie sind, welche Beweise haben wir für diese Behauptung des totalen Reduktionismus? Welche Beweise haben wir dafür, dass es „Bausteine“ der Materie gibt und dass alle Materie vollständig von diesen Bausteinen bestimmt wird?

Dies teilt sich in zwei Fragen auf, die wir in umgekehrter Reihenfolge ansprechen sollten, in der Sie sie angesprochen haben: Woher wissen wir (im Sinne von „Evidence-fits-predictions“ ) , dass es solche Bausteine ​​gibt, und woher wissen wir, dass grundlegende Wechselwirkungen dazu ausreichen Wechselwirkungen zwischen zusammengesetzten Strukturen erklären?

Für die erste Frage arbeiten wir uns schrittweise zu kleineren Komponenten vor (z. B. bezeugt die Brownsche Bewegung die Existenz von Atomen, die Chemie bezeugt die elektronische Konfiguration und die NMR-Spektroskopie ihre Kernstrukturen, die Beobachtung des Beta-Zerfalls zeigt die Existenz von Neutrinos und die Klassifizierung von Hadronen unterstützt ihre Quark-Gluon-Struktur). Während man niemals beweisen kann, dass ein Teilchen keine Substruktur hat, sagt die Behauptung, dass dies nicht der Fall ist, voraus, dass es keine erkennbare Größe hat, und das gilt bisher für Elektronen und Quarks bis hin zu Längenskalen von$10^{-18}$M. Es hat sich nicht gezeigt, dass eine Unterstruktur, die sie möglicherweise haben, bessere Vorhersagen für die Beobachtung hat.

Für die zweite Frage sind detaillierte Berechnungen erforderlich, um zu zeigen, dass grundlegende Wechselwirkungen die Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten von Atomen sowie Van-der-Waal-Kräfte vorhersagen. Daraus folgen Vorhersagen in der Chemie und Massenvorhersagen, wie z. B. Viskosität, Siedepunkt usw. von Materialien. Bisher waren zwar viele Vorhersagen von „Massenkräften entstehen“ erfolgreich, aber keine hat sich als undurchführbar erwiesen. Wir werden nicht-reduktionistische Wechselwirkungen anerkennen, wenn wir sie finden. (Sie werden nur " noch nicht reduktionistisch " sein, nur für den Fall, dass eine Reduktion irgendwann möglich ist; das ist z. B. bei Reibung, elastischen Kräften, Vibrationen usw. der Fall.)

Die Wissenschaft „beweist“ nichts, sie kann nur falsche Realitätsmodelle widerlegen.

Wir erstellen mathematische Modelle, die die Ergebnisse von Experimenten vorhersagen. Modelle, die gut funktionieren, sind nicht mehr als das – ob sie eine „zugrunde liegende Realität“ darstellen könnten, ist eine rein philosophische Frage. Das Standardmodell ist ein solches, darüber hinaus ist seine zugrunde liegende Realität bekanntermaßen eine Angelegenheit von sehr unterschiedlichen Interpretationen und endlosen Debatten.

Aber Modelle, die falsche Vorhersagen machen, können von Philosophen sicher verworfen werden, da sie nur eine falsche Vorstellung von einer zugrunde liegenden Realität darstellen. Die besondere Art der betreffenden Unwahrheit kann diskutiert werden, aber das Gesamtversagen ist unbestreitbar.

Solange also eine Theorie keine falschen Vorhersagen produziert, gibt es keine Möglichkeit, sie als wahr und genau oder falsch und als Glücksfall zu zeigen. Zum Beispiel hat sich Newtons Gravitationsmodell jahrhundertelang als genau erwiesen, bis die Wissenschaft Fortschritte gemacht und gezeigt hat, dass es eine zu starke Vereinfachung ist. Das lokale realistische Modell der Materie als physikalische Teilchen, mit den Wellen als reiner Statistik, ist ein weiterer solcher Fehler, Opfer des Bellschen Theorems und der anschließenden experimentellen Widerlegung der Vorhersagen der Theorie. Jetzt haben wir stattdessen die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenverschränkung, und niemand kann mit Sicherheit sagen, ob diese Realitätsmodelle philosophisch richtig oder falsch sind.

Es gibt jedoch eine kleine, aber entscheidende Menge an Beweisen, die zeigen, dass das Standardmodell falsch ist oder zumindest nicht die ganze Wahrheit ist. Viele Physiker basteln herum und versuchen, es zu verbessern, während sie immer noch die große Menge an Beweisen erklären, die mit dem Feld/Teilchen-Aspekt übereinstimmen.

Was wir nicht haben, ist ein Modell ganzheitlicher oder anderer nicht standardisierter Entitäten mit nützlicher Vorhersagekraft, noch nicht einmal der geringste Hinweis darauf, wie ein solches Modell formuliert werden könnte. Ohne ein solches mathematisches Modell haben Philosophen nichts zu tun und folglich auch keinen Grund, die Idee ernst zu nehmen.

Dies begann als Kommentar, aber es ist einfach zu lang und ich habe es in eine Antwort umgewandelt.

Der Reduktionismus als Ansatz zum Verständnis physikalischer Phänomene wird derzeit durch "Emergenz" in Frage gestellt, dh die Vorstellung, dass ein komplexes System nicht auf das Studium seiner einzelnen Teile reduziert werden kann. Grundsätzlich können Verschränkung und Quantenkorrelationen zwischen Teilen eines großen Systems eine Reduktion auf die einzelnen Unterteile verhindern.

Dazu gibt es kürzlich eine interessante Diskussion in

Aharonov Y, Cohen E, Tollaksen J. Vollständig hierarchische Top-Down-Struktur in der Quantenmechanik. Proceedings of the National Academy of Sciences. 13.11.2018;115(46):11730-5.

In diesem Artikel (der nicht so einfach zu lesen ist, weil die Sprache und der Hintergrund teilweise den meisten Physikern nicht vertraut sind) stellen die Autoren ein Modell von 3 Teilchen in 3 Kästchen vor, sodass Korrelationen zwischen den 2 Teilchen abgeleitet werden können 3-Teilchen-Korrelationen, aber nicht umgekehrt (das „top-down“ des Titels). Wenn Sie das System auf die Untersuchung von 2-Teilchen-Subsystemen reduzieren, können Sie nicht auf die Eigenschaften des gesamten Systems schließen. Es geht hier nicht um Rechenleistung und scheint daher für einen strikten Reduktionismus fatal zu sein.

Glücklicherweise zeigen die Autoren auch, dass die Quantenmechanik mit allen experimentellen Vorhersagen dieses Modells kompatibel ist, wodurch das Problem auf die Kompatibilität zwischen Quantenmechanik (die solche Korrelationen – lokal oder nicht – zumindest phänomenologisch aufnehmen kann) und Reduktionismus verschoben wird. Wie andere darauf hingewiesen haben, scheint die Quantenmechanik dort zu sein, wo der Bucket des Reduktionismus aufhört: kollektive Vielteilchen-Phänomene ( z. B. Bose-Einstein-Kondensate) oder sogar Wenig-Teilchen-Effekte (Photonenbündelungseffekte, die für sehr wenige Photonen gemessen werden können) können dies nicht vollständig mit Einzelpartikeleffekten erklärt werden, doch Hinweise, dass dies ein Beweis gegen den Reduktionismus sei, wurden nie besonders ernst genommen.