Evidencia científica del reduccionismo

Creo que hay dos preguntas diferentes aquí:

1. ¿Tenemos la prueba de que todo está hecho de partículas subatómicas y todos los procesos/interacciones son reducibles a ellas?
2. ¿Se pueden explicar todos los fenómenos en términos de la interacción de partículas subatómicas?

La respuesta a la primera pregunta es claramente afirmativa , como se ha demostrado en experimentos de física en todos los niveles de organización de la materia: partículas subatómicas, núcleos, átomos, moléculas, sólidos/líquidos/gases, etc.

La segunda pregunta es más engañosa, ya que aquí se trata de fenómenos emergentes donde la materia exhibe comportamientos muy diferentes a los que mecánicamente se podrían haber pronosticado a partir del conocimiento de los niveles inferiores de organización. Por otro lado, como ya se destacó anteriormente, la materia que se involucra en estos nuevos comportamientos complejos todavía está compuesta de partículas elementales y obedece a las leyes fundamentales de la física. Este fue en gran medida el tema del debate en torno a la pregunta ¿ La física explica por qué las leyes y los comportamientos observados en biología son como son? - la gente parece estar en total desacuerdo sobre este tema.

Tenga en cuenta, sin embargo, que ni siquiera es necesario ir tan lejos como la biología para encontrar dificultades con la visión reduccionista: la física estadística y la teoría de los fenómenos críticos (como las transiciones de fase) se desarrollaron bastante en respuesta a la imposibilidad de explicar algunos fenómenos usando descripción microscópica. Dependiendo de sus antecedentes, algunos argumentarían que esto es simplemente la consecuencia de una capacidad computacional limitada , que puede superarse en el futuro, mientras que otros dirían que esta limitación es insuperable o que agregaría poco en términos de explicar/comprender estos complejos comportamientos

Actualización:
como ejemplo de reducción frente a explicación, se podría considerar un texto escrito.

• Dicho texto se puede reducir a las letras, los signos de puntuación y los espacios que lo componen, y las interacciones entre ellos se pueden estudiar en detalle, por ejemplo, la distribución estadística de las letras o sus secuencias, que pueden obedecer a reglas muy estrictas para un idioma específico. , donde algunas secuencias están prohibidas, otras son comunes. Usando estas reglas, uno podría intentar construir un texto, que parecería inglés... pero aún así sería un galimatías. Se pueden encontrar ejemplos, por ejemplo, en el artículo seminal de Shannon.
• Se podría trabajar en un nivel superior: el de las palabras. No podemos decir con certeza qué combinaciones permitidas de letras forman una palabra; no podemos explicar las palabras, aunque tengamos un conocimiento detallado de su composición. Sin embargo, una vez que tenemos un diccionario, podemos estudiar palabras, sus interacciones, etc. Podríamos intentar usar este conocimiento para escribir un texto... y seguiría siendo un galimatías.
• Podríamos estudiar oraciones: existen reglas bastante estrictas que gobiernan la estructura de las oraciones, conocidas como gramática generativa . Los lenguajes de programación (artificiales) se explican completamente mediante estas reglas y se pueden construir nuevos lenguajes a voluntad. Pero aún estarán muy lejos de un lenguaje humano real, a pesar de que entendemos sus componentes en detalle.

Una breve respuesta podría ser: todas las cosas están hechas de partículas, pero no sabemos (totalmente) qué son las partículas.

En una respuesta un poco más completa, lo que acabo de llamar 'partículas' ya son bastante sutiles porque las matemáticas que describen su comportamiento físico son las matemáticas de la teoría cuántica de campos, por lo que no es del todo correcto decir que los constituyentes del cosmos son simplemente 'partículas'; son algo más sutil, algo así como una colección de campos cuánticos.

Cuando se trata de colecciones de tales 'partículas' pueden surgir, en su comportamiento colectivo, tipos de comportamiento que no sabemos cómo conectar con la teoría de campo subyacente de las partículas tomadas una a la vez o en pequeños grupos. Frente a esto, no es necesario abandonar el reduccionismo de inmediato, porque es razonable pensar que tales comportamientos colectivos son consistentes o resultado de, cualquiera que sea la descripción correcta de los constituyentes básicos. Pero no es razonable pensar que ya conocemos esa correcta descripción con todo detalle y precisión; ciertamente no lo hacemos. Y tampoco es razonable pensar que el reduccionismo siempre tiene éxito en todos los aspectos, porque los fenómenos relacionados con el entrelazamiento cuántico dan contraejemplos.

Esa última afirmación debe ser considerada cuidadosamente. Lo que es cierto es que si consideramos que el 'reduccionismo' implica que las predicciones físicas relativas a las partes separadas de forma espacial pueden obtenerse correctamente considerando las partes como si llevaran sus propiedades por separado, entonces el reduccionismo queda refutado por las observaciones del tipo de desigualdad de Bell. . Pero esto no debe interpretarse en el sentido de que el reduccionismo está completamente socavado. Es un límite sutil al reduccionismo, cuyo impacto en fenómenos más amplios aún no está claro. Parece estar involucrado en algunos fenómenos de muchos cuerpos, y se puede argumentar, creo que de manera convincente, que se encuentra detrás del poder de cómputo de la computación cuántica.

Observo que algunos comentarios a la pregunta original han reaccionado como si el reduccionismo fuera equivalente a ciencia, como si cuestionar lo primero fuera cuestionar lo segundo. Supongo que uno tiene razón en estar nervioso de parecer que abre una puerta al razonamiento no científico. Pero para subrayar el punto que estoy haciendo aquí sobre el entrelazamiento, invitaría a una mayor consideración del ejemplo de la computación cuántica, o el ejemplo de los pares de Cooper en la superconductividad BCS, o ejemplos comparables en otros fenómenos colectivos. La evolución en el tiempo de dos registros en una computadora cuántica que ejecuta el algoritmo de Shor no puede ser descrita por ninguna descripción que adopte el lenguaje 'el registro A es así; el registro B es así'. Uno solo puede decir 'los registros A y B son así'. El par de Cooper es un componente de una descripción reductiva, pero cuando se dice que tal par consiste en 'dos ​​electrones' no es completamente correcto decir que hay algún X del cual el par de Cooper es 'dos ​​X' en cualquier significado ordinario de la palabra 'dos'. La masa y la carga son 'dos$m$' y dos$e$' pero el impulso no es 'dos' nada. Casi todos los estados propios de energía de los electrones en los átomos también están altamente enredados, y solo por un uso laxo del lenguaje decimos que hay 'dos ​​electrones' en lugar de 'un par de electrones enredados' en el helio.

Finalmente, entonces, la cuestión se convierte en cómo sería una teoría fundamental más completa. ¿Mantendría abierta la puerta sutil a posibilidades no reductivas que ya se ha abierto en el entrelazamiento cuántico? ¿Existen posibilidades no reductivas aún más ricas en acción en el cosmos, justo al nivel de las descripciones de los constituyentes básicos? No lo sabemos, pero me atrevería a adivinar que la respuesta es sí.

No existe tal cosa como "evidencia de reduccionismo" en su sentido, como tampoco hay "evidencia de falsacionismo" o "evidencia de positivismo". El reduccionismo es un punto de vista filosófico , no una propiedad del mundo de la que podamos estar seguros.

Puede tener evidencia de que el reduccionismo funciona en casos específicos, por ejemplo, la teoría del modelo estándar que a su vez genera la teoría de las fuerzas nucleares residuales, y todas las ciencias naturales están llenas de casos como ese. Pero en cualquier caso en el que no tenga una explicación reduccionista, tiene una opción filosófica : puede decir que este es un desafío que deben abordar los enfoques reduccionistas, o puede creer que no se puede explicar en términos más reduccionistas. En el último caso, tiene dos opciones más: o se trata de otra cosa "fundamental" para agregar al conjunto de explicaciones en términos de las cuales los enfoques reduccionistas explican todo lo demás, o puede declarar la victoria sobre los reduccionistas y decir que el reduccionismo está muerto.

No hay forma de probar que algo no se puede explicar en términos de alguna teoría reduccionista aún desconocida. Solo puedes probar esto para teorías reduccionistas específicas que ya existen . Tampoco hay forma de probar que algo puede explicarse en términos reduccionistas sin proporcionar realmente esa explicación. E incluso si todos los fenómenos conocidos han sido explicados en términos reduccionistas, no podemos estar seguros de que algún día no descubriremos un nuevo fenómeno que no puede ser.

Para el proyecto de las ciencias naturales, si está tratando de "probar" o "refutar" el reduccionismo cuando investiga las posibles explicaciones de un fenómeno es completamente irrelevante; en cualquier caso, está tratando de producir explicaciones científicas del mundo.

Sin embargo, tenga en cuenta que lo anterior usa la palabra "evidencia" como se usa en la pregunta, pero no en la forma en que la ciencia suele hacerlo. Cuando hablamos de evidencia para una ley científica, no decimos que no tenemos evidencia de que se cumple solo porque solo hemos observado que se cumple en casos específicos. Cuantos más casos observamos en los que se cumple la ley, más seguros nos volvemos de que la ley es "verdadera", hasta que observamos un caso en el que no se cumple. El problema con el reduccionismo es que no es falsable en este sentido: no podemos observar una instancia en la que no se cumple, ya que siempre podemos creer que simplemente no hemos descubierto la explicación reduccionista correcta todavía. Por eso el reduccionismo es una creencia metafísica más que una propiedad científica del mundo.

Dividiré esta respuesta en dos partes. En el primero, deseo disipar/prevenir cualquier posible error de categoría aquí.

Reglas básicas de la filosofía de la ciencia

Hay afirmaciones de que el modelo estándar es una teoría que explica casi todos los fenómenos que vemos en el mundo. Me pregunto qué evidencia científica respalda esta afirmación.

Decir que una teoría explica los fenómenos observados es decir que esos fenómenos están entre sus predicciones. La evidencia de esta afirmación son, por supuesto, los fenómenos mismos.

¿Hasta qué punto es científica esta afirmación?

Por "científico", puede querer decir "susceptible de análisis científico" o "bien atestiguado a la luz de dicho análisis". Estos se aplican respectivamente a afirmaciones falsables y afirmaciones cuyas predicciones concuerdan con la observación. Entonces, como se dijo anteriormente, el SM es científico en ambos aspectos.

Parece que hay algunas partes en esta afirmación

"Esta afirmación" significa lo que afirma el SM, en lugar de la afirmación discutida anteriormente de que el SM explica los fenómenos observados. Las partes que identificas al diseccionar el SM son cómo hacemos las predicciones antes mencionadas. Para tomar un ejemplo mucho más simple, la afirmación de que las personas tienen mentes con ciertos estados internos, que responden e influyen en sus cuerpos de ciertas maneras, explica el comportamiento observado de las personas. No puedes ver las mentes o los campos cuánticos directamente, solo sus efectos observables.

Fenómenos relacionados con SM específicamente

Advertencia: mencionaré algunas líneas de evidencia, pero cada una se menciona muy brevemente.

No hay efectos masivos fundamentales, es decir, no hay interacciones fundamentales entre grupos de partículas. Todas las propiedades a macroescala son propiedades emergentes que provienen de interacciones a menor escala.

Eso parece un resumen justo de lo que se afirma. En otras palabras, (i) las interacciones entre partículas compuestas son una consecuencia emergente de aquellas entre partículas fundamentales, y (ii) llamamos a estas interacciones emergentes y fundamentales respectivamente. Mientras que (ii) es una definición, (i) es una afirmación sobre la Naturaleza.

¿Qué evidencia física hay para estas creencias? Solo porque encontramos leyes que gobiernan las relaciones entre partículas y las encontramos como constituyentes de la materia a escalas más grandes, ¿qué evidencia tenemos para esta afirmación de reduccionismo total? ¿Qué evidencia tenemos de que existen “bloques de construcción” de materia, y que toda la materia está completamente determinada por esos bloques de construcción?

Esto se divide en dos cuestiones que debemos abordar en el orden inverso al que usted planteó: ¿cómo sabemos (en el sentido de saber que la evidencia se ajusta a las predicciones ) que existen tales bloques de construcción y cómo sabemos que las interacciones fundamentales son suficientes para explicar las interacciones entre estructuras compuestas?

Para la primera pregunta, trabajamos gradualmente hasta componentes más pequeños (por ejemplo, el movimiento browniano atestigua la existencia de átomos, la química atestigua las configuraciones electrónicas y la espectroscopia de RMN a sus estructuras nucleares, la observación de la desintegración beta muestra que existen neutrinos y la clasificación de los hadrones soporta su estructura quark-gluon). Si bien uno nunca puede probar que una partícula no tiene una subestructura, la afirmación de que no predice que no tiene un tamaño perceptible, y eso es cierto hasta ahora para electrones y quarks, hasta escalas de longitud de$10^{-18}$metro. No se ha demostrado que ninguna subestructura que puedan tener tenga mejores predicciones de observación.

Para la segunda pregunta, se necesitan cálculos detallados para mostrar las interacciones fundamentales que predicen las energías de ionización y las electronegatividades de los átomos, y las fuerzas de van der Waal. A partir de estos se siguen predicciones en química y predicciones a granel, como la viscosidad de los materiales, el punto de ebullición, etc. Hasta ahora, aunque muchas predicciones de "fuerzas a granel son emergentes" han tenido éxito, ninguna ha demostrado ser impracticable. Reconoceremos las interacciones no reduccionistas cuando las encontremos. (Solo serán " todavía no reduccionistas ", en caso de que la reducción sea eventualmente posible; por ejemplo, esto es lo que sucedió con la fricción, las fuerzas elásticas, las vibraciones, etc.)

La ciencia no "prueba" nada, solo puede refutar falsos modelos de la realidad.

Creamos modelos matemáticos que predicen los resultados de los experimentos. Los modelos que funcionan bien no son más que eso: si pueden representar alguna "realidad subyacente" es una proposición puramente filosófica. El modelo estándar es uno de ellos, además, su realidad subyacente es famosa por sus interpretaciones muy diferentes y un debate interminable.

Pero los modelos que hacen predicciones incorrectas pueden ser descartados con seguridad por los filósofos, ya que representan solo una idea falsa de cualquier realidad subyacente. La naturaleza particular de la falsedad en cuestión puede estar abierta a debate, pero el fracaso general es indiscutible.

Por lo tanto, mientras una teoría no produzca predicciones falsas, no hay forma de demostrar que es verdadera y precisa o falsa y una casualidad. Por ejemplo, el modelo de gravedad de Newton demostró ser preciso durante siglos, hasta que la ciencia avanzó y demostró que era una simplificación excesiva. El modelo realista local de la materia como partículas físicas, con las ondas como estadísticas puras, es otro de esos fracasos, víctima del teorema de Bell y la subsiguiente refutación experimental de las predicciones de la teoría. Ahora tenemos la Relatividad General y el entrelazamiento cuántico en su lugar, y nadie puede decir con seguridad si estos modelos de la realidad son filosóficamente correctos o incorrectos.

Sin embargo, hay un pequeño pero crucial cuerpo de evidencia que demuestra que el Modelo Estándar está equivocado, o al menos no es toda la historia. Muchos físicos están jugando, tratando de mejorarlo mientras siguen explicando el vasto cuerpo de evidencia consistente con el aspecto campo/partícula.

Lo que no tenemos es ningún modelo de entidades holísticas u otras no estándar con algún poder predictivo útil, ni siquiera el más mínimo indicio de cómo podría formularse dicho modelo. Sin tal modelo matemático, los filósofos no tienen nada con lo que enfrentarse y, en consecuencia, ninguna razón para tomarse la idea en serio.

Esto comenzó como un comentario, pero es demasiado largo y lo convertí en una respuesta.

El reduccionismo como enfoque para comprender los fenómenos físicos se encuentra actualmente bajo el desafío de la "emergencia", es decir, la idea de que un sistema complejo no puede reducirse al estudio de sus partes individuales. Básicamente, el entrelazamiento y las correlaciones cuánticas entre partes de un sistema grande pueden evitar la reducción a las subpartes individuales.

Hay una interesante discusión reciente sobre esto en

Aharonov Y, Cohen E, Tollaksen J. Estructura jerárquica completamente descendente en mecánica cuántica. Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. 13 de noviembre de 2018; 115 (46): 11730-5.

En este documento (que no es tan fácil de leer porque parte del lenguaje y los antecedentes no son familiares para la mayoría de los físicos), los autores presentan un modelo de 3 partículas en 3 cajas, de modo que las correlaciones entre las 2 partículas se pueden inferir de la Correlaciones de 3 partículas, pero no al revés (que el "arriba hacia abajo" del título). Si reduce el sistema al estudio de subsistemas de 2 partículas, no puede inferir las propiedades de todo el sistema. Aquí no hay cuestión de poder computacional y, por lo tanto, parecería ser fatal para el reduccionismo estricto.

Afortunadamente, los autores también muestran que la mecánica cuántica es compatible con cualquier predicción experimental de este modelo, desplazando así el problema a uno de compatibilidad entre la mecánica cuántica (que puede incorporar tales correlaciones, locales o no, al menos fenomenológicamente) y el reduccionismo. Como han señalado otros, la mecánica cuántica parece ser donde se detiene el reduccionismo: feonena colectiva de muchos cuerpos ( vg condensados ​​de Bose-Einstein) o incluso efecto de pocos cuerpos (efectos de agrupación de fotones, que se pueden medir para muy pocos fotones) no pueden explicarse completamente en términos de efectos de partículas individuales, sin embargo, las sugerencias de que estas son evidencias contra el reduccionismo nunca se han tomado muy en serio.