3. Нисходящая причинность в современной науке

Приложение к обзору «О свободе воли подробно»      Традиционно в физике, химии и других естественных науках  сильны позиции редукционизма, то есть стремления все процессы рассматривать, как следствия событий, происходящих на уровне элементов систем. Оптические явления объясняются движением фотонов, химические реакции – взаимодействиями атомов и молекул и т.д.
     Но в последнее время появилось много исследований, посвящённых нисходящей причинности, то есть обнаружению на уровне элементов следствий общесистемных событий. Южноафриканский космолог Джордж Эллис в эссе «Признание нисходящей причинности» (https://arxiv.org/abs/1212.2275) отмечает, что нисходящая причинность обычна в социологии, физиологии и биологии. Но можно наблюдать её и в физических процессах. Так, средняя космическая плотность определяет скорость расширения космоса, от которой зависит соотношение температуры и времени, что, в свою очередь, задаёт скорость процессов микроуровня – ядерных реакций  и, следовательно, результат нуклеосинтеза, вновь поднимающийся к таким макропеременным, как общая массовая доля гелия и лития в ранней Вселенной. Обобщая, Эллис утверждает, что нисходящая причинная связь возникает там, где результаты определяются начальными и граничными условиями и приводит примеры этого из астрономии, космологии и квантовой физики. (Можно сказать, что начальные и граничные условия задают "горизонтальную" причинность, так как они соразмерны следствиям, но можно говорить и о нисходящей причинной связи, поскольку действие определяемого ими процесса происходит через движение множества элементов. Правда, это в основном не системы, а скопления, не обладающие целостностью).
     Квантовая физика для нас особенно интересна. Эллис приводит в пример воздействие кристаллической структуры в металле на электроны. Его механизм не поддаётся описанию в терминах, соответствующих масштабу электрона и, следовательно, представляет собой нисходящую причинно-следственную связь этой структуры с состояниями электронов. Следствием этого воздействия может быть, в частности, сверхпроводимость, понять которую путём чисто восходящего анализа невозможно.
     Ещё один пример, приведённый Эллисом, рассмотрим в приложении 4 «Макросистемы и квантовые события» (http://www.proza.ru/2019/03/15/15).
     Разберём пример, касающийся согласования обратимых моделей квантовой физики с необратимостью термодинамики. Для этого предложена модель Калдейры-Леггетта, состоящая из системы и окружающей среды, имитируемой так называемым "тепловым резервуаром" в виде набора независимых генераторов гармонических колебаний. После учёта происходящих в системе и резервуаре процессов, а также взаимодействия между ними, остаются избыточные гармоники, для удаления которых в модель вводится дополнительный член "необратимости". Поскольку все низкоуровневые эффекты взаимодействия системы и среды уже учтены (и обратимы), вклад этого члена может соответствовать только нисходящему воздействию на систему среды как единого целого.
     Но что собой представляет член "необратимости"? Содержательный ответ на этот вопрос дан Ильёй Пригожиным (Пригожин И.Р. Конец определенности. Время, хаос и новые законы Природы. Москва, Ижевск,2000,: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»). Пригожин связал необратимость времени с нелинейными процессами, вызванными происходящей в самых разных средах самоорганизацией (такой, например, как атмосферный вихрь). Характерным свойством нелинейности является наличие точек разрыва (бифуркации), вблизи  которых процессы теряют устойчивость. Под влиянием случайных внешних (не имеющих отношения к системе) сил в зоне неустойчивости изменяется траектория развития. Случайность порождает необратимость времени и исключает возможность объяснения процессов низкоуровневыми причинами. (Подробнее об этом в заметке «Механизм времени» http://proza.ru/2025/09/28/887).
     Американские нейробиологи Эрик Хоэль и Джулио Тонини разрабатывают теорию «причинного возникновения», согласно которой целеустремлённое поведение существ-агентов (и в том числе, безусловно, человека) несводимо к движениям и взаимодействиям элементов, из которых они состоят. Изучая модель нейронной сети головного мозга, они заметили, что пик информативности приходится на достаточно крупные группы нейронов. Причинное возникновение в нейронной сети обеспечивается, по мнению Хоэля, её случайностью и избыточностью. Подходя к проблеме с точки зрения теории информации, Хоэль показал, что макросостояния (т.е. состояния системы в целом, не редуцированные до уровня их элементов) уменьшают неопределённость причинной структуры системы точно так же, как код с исправлением ошибок уменьшает шум в передаваемых данных.
     Квантовый физик из Оксфорда Дэвид Дойч разрабатывает «теорию конструкторов», основанную на представлении о нисходящей причинности (https://arxiv.org/abs/1210.7439). Эта теория строит новую формальную систему на основе существующих научных теорий и позволяет разделить все задачи на выполнимые и невыполнимые.  Так, простой анализ позволяет сразу отклонить как невыполнимую задачу построения вечного двигателя.
     Стандартный научный подход состоит либо в разложении (редукции) изучаемых явлений на элементарные, либо в получении результата, исходя из начальных и граничных условий. Хотя во втором случае, как говорит Эллис, речь идёт о нисходящей причинности, на это редко обращают внимание. Объяснение явлений и процессов обычно идёт путём их редукции, разбиения на составляющие фрагменты. Дойч же предлагает обратный путь, начиная анализ с задач (task) и структур (constructor), обеспечивающих их решение. В области техники такой подход естественен: изобретатель решает стоящую перед ним задачу, создавая подходящее устройство (constructor). Но этот подход работает и в других сферах. Например, устойчивость Солнечной системы (как задача) обеспечивается её структурой, в основе которой лежит равновесие центростремительных гравитационных сил и центробежных сил, порождаемых вращением планет. Течение некоторых химических реакций (задача) обеспечивается катализатором (конструктором), на котором молекулы исходных продуктов активируются и вступают в связь друг с другом или, наоборот, разлагаются.
     Особое значение Дойч придаёт информации, которую рассматривает как особую физическую сущность наравне с энергией (https://arxiv.org/abs/1405.5563). Если в теории Шеннона  информация оценивается статистически, то теория конструкторов обходится без ссылок на вероятность. При этом удаётся дать описание как классической, так и квантовой информации (в виде суперинформации). Информация играет важную роль в структуре причинности, являясь основной составляющей нисходящих причин.

Выводы:
1) нисходящая причинность присуща всем формам движения;
2) многие явления невозможно описать в терминах низших уровней, разложить на составляющие;
3) информацию можно рассматривать как физическую сущность.

Вернуться к обзору - http://www.proza.ru/2019/03/14/2212
(ред.19.10.2025)