6.Драма идей в познании природы.
Жизнь отдельного человека и развитие всей человеческой цивилизации либо имеют целью, либо просто сопровождаются накоплением и освоением знаний о природе. Ученые, сознательно выбравшие этот способ жизни и участвующие в процессе познания профессионально, хорошо знают, как счастлива и мучительна эта работа, насколько необходим и непрост путь в неизвестность, как возвышает человека и как драматично приходит к нему Истина.
Впервые о драме идей в познании Мира сказал Альберт Эйнштейн. Один из величайших ученых планеты за весь период существования цивилизации начинал изучение физики самостоятельно, не принадлежа ни к какой научной школе. Не входя в круг людей, для которых идеи и проблемы науки были уже привычны и стали частью обыденного общения, Эйнштейн чрезвычайно глубоко и оригинально проанализировал все основные парадигмы современной ему физики. Несмотря на то, что он в начале своего пути в науке формально не был членом ученого сообщества и не имел подробной информации обо всех достижениях теоретической физики и математики, нестандартная интерпретация явлений природы, мощный интеллект и логико-аналитический аппарат заменили недостающую информацию. В начале столетия Альберт Эйнштейн сформулировал несколько фундаментальных концепций, определивших не только лицо физики XX века, но и взгляд на Мир всего человечества. Можно упомянуть три его великих научных достижения. В первую очередь, это специальная теория относительности, в рамках которой было впервые установлено, что пространство-время есть единое 4-мерное многообразие и введено понятие о ковариантности законов природы; во-вторых, это квантовая теория света, предвосхитившая в значительной степени идеи и результаты квантовой электродинамики и всей последующей квантовой теории поля. И, наконец, в-третьих, это общая теория относительности, которая ввела в физику идеи геометризации фундаментальных полей и взаимодействий. Именно глубина и плодотворность этих научных результатов и концепций позволили в дальнейшем предложить теоретическое описание микромира на уровне суперструн, преонов и вакуумных структур. Из фундаментальной физики пришли такие понятия, как многовариантность путей эволюции любой сложной системы, способность сложных систем к перестройкам различного типа, в том числе, и к катастрофическим. В ХХ веке эти же понятия стали широко использоваться и в гуманитарных науках, при анализе социальной и общественной жизни. Следует отметить, что в результате осмысления этих понятий стала очевидна хрупкость цивилизации, необходимость согласования стремлений и потребностей отдельного человека с направлением развития человеческого сообщества в целом. Поэтому и новый взгляд на космологию и фундаментальную физику, формирующийся на рубеже веков, новая трактовка Вселенной, как сложного, эволюционирующего объекта, способного к самоорганизации, а, возможно, обладающего и более глубокими свойствами, должны привести к новому пониманию места Человека во Вселенной.
Нетрудно понять, что процесс познания природы протекал драматично и для самого Эйнштейна. Отметим несколько аспектов этой драмы. Сам ученый считал, что суть драмы познания в противоречии между реальным объемом знаний человека и теми надеждами, которые он возлагает на рост своих познаний в процессе исследования природы, между количеством усилий, затраченных на поиск истины, и суммой и качеством полученных результатов. Увеличение познанного не приводит к уменьшению непознанного, наоборот, открываются все новые проблемы и тупики, ученый в процессе работы находится в состоянии напряженного ожидания результата, надеясь на его принципиальную постижимость, но не зная достоверно, что откроется ему в результате подглядывания за плотный занавес Природы. Следствием громадного эмоционального подъема во время работы обычно бывает усталость и опустошение после достижения результата. Процесс познания двуедин — Мир как объект познания, раскрываясь в некоторых своих деталях перед субъектом познания, тем самым оказывает на последнего сильное эмоциональное, духовное воздействие. Разговор с Природой на ее языке требует не только знания самого языка и желания задавать вопросы, но и умения их формулировать, и переводить ответы на общечеловеческий уровень понимания, и находить интеллектуальные и духовные силы для оценки полученных знаний о Мире и о себе самом, как исследователе. В этом и заключается первый элемент драмы, о которой говорил Эйнштейн. Есть, впрочем, и еще один элемент, который очевиден каждому, кто знаком с биографией великого ученого. К сожалению, он не был счастлив ни в личной, ни в общественной жизни. Развод с первой женой и разлука с любимыми детьми, вынужденный отъезд в Америку, по сути изгнание из родной страны под угрозой гибели, смерть второй жены, и, до конца жизни, только размышления, работа, краткие встречи с коллегами и небольшим числом друзей — такова вкратце жизнь гениального физика.. Ум и душа его ищут покой и счастье (находят ли?) наедине с собой и в диалоге с Природой. Неустанный интеллектуальный труд и одиночество в личной жизни. Современную ему общественную и политическую жизнь Эйнштейн оценивал сдержанно, но критично, ум исследователя и нравственные принципы мыслителя и гражданина человечества определяли его этическую позицию по всем важнейшим вопросам развития цивилизации. После взрыва ядерных бомб над японскими городами, Эйнштейн сказал: «Лучше бы я стал водопроводчиком!». В этих словах была не поза, а искренняя боль за осквернение и унижение научной истины, которую доверила ему Природа. Сформировавшись как личность самим процессом исследования Мира, Альберт Эйнштейн первым поставил задачу познания Мира в целом, именно ему принадлежит определение цели познания в такой форме: ученый должен понять не только, как устроен Мир, но и почему он так устроен. Сегодня мы понимаем, что ответ на этот вопрос лежит на границе или даже за границей научного метода познания. Воспринимая человека и природу как равноправные элементы мироздания, сосуществующие в рамках общих гармоничных законов, Эйнштейн однозначно отвергал любое насилие над человеком, оценивая это как насилие над самой природой.
Еще один аспект личной драмы великого ученого связан с его отношениями с сообществом коллег. Несмотря на то, что Эйнштейн являлся одним из создателей квантовой теории, затем на протяжении всей жизни он весьма критически относился к ней, подчеркивая, что современная ему квантовая теория есть наука феноменологическая и не может претендовать на установление фундаментальных концепций. Многие его ученые современники воспринимали эти утверждения как причуду гения, очевидную его ошибку. Но сегодня совершенно ясно, что он не ошибался — квантовая теория дошла до границы своих возможностей, и нам сегодня уже известны и локальные процессы (перестройка структуры физического вакуума), и глобальные явления (рождение Вселенной), которые не могут быть адекватно описаны в рамках существующей квантовой теории. Теперь очевидно, что физике XXI века предстоит создать принципиально новую фундаментальную теорию, Эйнштейн же говорил об этом еще в 20-30 годах ХХ века. Добавим, что даже такой великий физик, как Лев Ландау, также полагал, что Эйнштейн недооценивает возможности и перспективы квантовой теории. Есть утверждения (впрочем, недостоверные), что Ландау пытался убедить в этом самого Эйнштейна при личной встрече, но безуспешно. Существенно, впрочем, что Ландау был тогда совсем еще молодым, хотя уже известным ученым, создателем квантовой теории диамагнетизма. А вот последняя, опубликованная при его жизни, работа Ландау посвящена весьма жесткой критике существующей квантовой теории, где прямо утверждалась неспособность квантовой динамики описывать физическую реальность. Теперь, через 40 лет после выхода этой работы и через почти 80 лет после высказываний Эйнштейна, нам понятны причины, по которым на основе ортодоксальной квантовой теории поля невозможно описание непертурбативного вакуума — важнейшего элемента целостной структуры Мира. И это тоже драматический момент в истории физики и даже в истории человеческой цивилизации.
Сам Эйнштейн считал величайшим ученым Исаака Ньютона, подчеркивая высокую драматичность ситуации, в которой он жил и работал. В период научного творчества Ньютона было уже ясно, что возможности старых, доньютоновских, представлений о природе уже исчерпаны, и назрела необходимость создания системы собственно научных взглядов, основными элементами которой всегда были физика и математика. Эту необходимость Ньютон осознавал как более никто из его современников и взял на себя огромный труд по формулировке не только системных представлений о физических законах мироустройства, но и по созданию количественного аппарата для анализа этих законов — исчисления бесконечно малых. Появление такой системы научных знаний, беспрецедентно полной по меркам того времени, Эйнштейн рассматривал как акт высокой драмы, поскольку мощное движение науки вперед не только дает ответы на некоторые вопросы, но ставит все новые и серьезные проблемы. И эта невозможность получить последнее, окончательное знание воспринимается и переживается как неудача, как незавершенность трудов, ограниченность своих способностей и возможностей. Как подлинная драма.
Посленьютоновская физика также пережила несколько драматических моментов. Первая такая ситуация начала складываться в связи с формулировкой Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом представлений о поле, как новом объекте физики. Потребовалось преодолевать устаревшие механистические воззрения в условиях накопления экспериментальных фактов о ранее неизвестном виде материи. Такое преодоление в одночасье оказалось невозможным, отсюда и попытки создания концепции эфира, изучение его «свойств», стремление сохранить привычную схему объяснения явлений. В конце концов, опыт Майкельсона также ставился не для того, чтобы исключить эфир из числа физических объектов, а чтобы измерить скорость «эфирного ветра». И драма идей в этом случае проявилась как полное крушение концепции эфира, зашатался фундамент дома, который казался таким прочным и практически достроенным. Но на развалинах «эфирного дома» была создана новая теория — специальная теория относительности. Впрочем, на следующем витке развития физических теорий нам пришлось возродить «эфир» в виде сложнейшей среды физического вакуума и принять новое понимание квантованного поля как характеристики геометрии пространства-времени.
Еще один аспект драмы идей в физике был связан со становлением термодинамики и формулировкой знаменитого Второго начала, что привело к пересмотру роли и значимости статистических закономерностей и построению молекулярно-кинетической теории вещества. Понимание статистического способа описания микрочастиц материи было усовершенствовано в рамках квантовомеханической теории, завершившейся созданием квантовой теории атомных структур и их взаимодействия с излучением. Дальнейшее развитие приводит нас уже к постановке проблемы взаимодействия с излучением квантов полей и вакуума и построением теории элементарных частиц. Нетрудно заметить, что в процессе познания никогда, еще со времен Ньютона, не было абсолютно спокойного периода — либо происходило интенсивное накопление новых знаний и выяснение конкретных деталей явлений природы, либо обнаруживались факты, которые в принципе не вписывались в существующую систему знаний. Вот тогда предпринимались отчаянные попытки найти решение проблемы и, в конце концов, происходил прорыв. Результатом же такого изменения взгляда на некоторый, как казалось сначала, небольшой вопрос, зачастую оказывалась необходимость перестройки всей системы представлений о мире. Эта необходимость также могла привести к драме, так как не всегда ученому, решающему частную задачу, под силу создать новую систему взглядов на мир. Такова, например, драма Пауля Эренфеста, одного из самых талантливых физиков начала века, который знал все закоулки в построенном здании новой физики ХХ века, но не смог участвовать в его строительстве так же активно и плодотворно, как великие творцы квантовой механики и теории относительности.
А разве не является драматичной формулировка Луи де-Бройлем и Эрвином Шредингером волновой теории материи, где волна — это элемент физической реальности? Шредингер даже выводит знаменитое уравнение, описывающее структуру атома, но выясняется, что эта волна есть лишь волна вероятности! Этот результат Шредингер прокомментировал так: «Если бы я не верил, что волна материи есть форма физической реальности, я никогда не занимался бы этой проблемой». Но это еще не завершение драмы — на самом-то деле де-Бройль и Шредингер как раз и имели дело с физической реальностью по имени «квантовое поле», просто не довели дело до процедуры квантования поля электронов. В неквантовом варианте данная волна на самом деле есть волна вероятности, но операторная ее трактовка (вторичное квантование амплитуды) означает введение физического поля, описывающего произвольное число частиц. К сожалению, авторы полевой теории материи не поняли истинного содержания теории, и в этом их личная драма. Так что путь к истине не прост, не все, кто сделал первые шаги на пути к ней, доходят до конца. Но тогда эстафета передается другим исследователям. Сама жизнь, как процесс становления и возникновения новых физических понятий, порождает драму идей в физике. Возникновение новых понятий и крушение устаревших, давно известных парадигм сопровождается не только перестройкой общественного сознания, но и личной драмой исследователей природы. Они глубоко переживают и сам процесс научного исследования, и получаемые ими результаты, и свою ответственность за эти результаты. Так складывалась ситуация в науке, примерно от Ньютона до середины нашего века. За последние же полвека в этой драме стали появляться совершенно новые элементы.
Начиная с 40-х годов ХХ века, когда в США, Великобритании и СССР начались работы над ядерным оружием, развитие физики в целом проходило под «присмотром» государственного аппарата, а результаты исследований использовались, в первую очередь, в военно-политических целях. Вообще говоря, аргументы геополитического, военного и чисто коммерческого характера, на наш взгляд, являются малопригодными и, мягко выражаясь, малоприличными стимулами для проведения фундаментальных естественнонаучных исследований. Конечно, теоретические и экспериментальные достижения физики дают импульс любой научно-технической революции, однако у настоящих ученых имеются серьезные внутренние побуждения, которые поддерживают их постоянный интерес к поиску истины без ссылок на необходимость обеспечения некоего туманного государственного приоритета. Для человека Земли, исследователя, а не завоевателя Природы процесс познания должен быть потребностью духа, исходить из необходимости реализации нового сценария развития нашей цивилизации, разрешающего проблему системного кризиса. Но движение к тайнам мироздания не может стимулироваться только узко прагматическими аргументами, в справедливости и общечеловеческой значимости которых есть обоснованные сомнения.
Есть, однако, примеры, когда исследования, начатые в военной области или прикладной физике, приводили к заметному прогрессу в теоретическом описании фундаментальных процессов. Так, например, глубокое исследование микромира, за которым последовал переход к физике элементарных частиц, изначально было стимулировано практической задачей более детального изучения взаимодействия нуклонов, что, в частности, было необходимо для совершенствования ядерного оружия. В конце 40-х годов существовала определенная иллюзия, что нам практически все известно о фундаментальных объектах физики, мир казался построенным из протонов, нейтронов, электронов, фотонов и нейтрино, и оставалось только выяснить некоторые мелкие подробности о протекании сильных взаимодействий нуклонов в ядре. Был найден и кандидат на роль переносчика сильного взаимодействия — пи-мезон. Однако достаточно быстро эксперимент преподнес сюрприз — были обнаружены K-мезоны и - гипероны, частицы, которым не было места в сложившейся картине мира. Удивление исследователей отразилось даже в их названии: «странные частицы».
Позже выяснилось, что таких частиц много и после 15 лет почти непрерывных экспериментов их число выросло до нескольких сотен. Драматичность новой ситуации в физике микромира определялась отсутствием какой-либо объединяющей, ключевой идеи установления природы этих частиц и их роли в структуре мира. Конечно, были попытки найти единую теоретическую основу их описания: идеи «ядерной демократии» — равноправия всех элементарных частиц в формировании свойств каждой из них, аксиоматический подход в теории соударений частиц, теория единого поля Гейзенберга и пр., но все они ухватывали лишь отдельные элементы истины. Только в 1964 году Гелл-Манн и Цвейг выдвинули гипотезу о существовании кварков, что объяснило все многообразие мира адронов. Идея была высказана, оставалось лишь обнаружить кварки. Их поиск был начат в режиме погони за приоритетом, казалось, что обнаружить экзотические дробно-заряженные частицы будет не так уж трудно. Кварки искали в породах глубоко в недрах Земли, в образцах лунного грунта, по спектрам излучения звезд, предполагая наличие в них кварковых атомов, в космических лучах. Задача обнаружения свободных кварков ставилась и перед сотрудниками самого мощного в то время Серпуховского ускорителя элементарных частиц в СССР. Но свободные кварки не были (и, как мы теперь понимаем, не могли быть) обнаружены! Один из авторов книги хорошо помнит сильное разочарование научного сообщества от этого факта — некоторые ведущие ученые-физики заявляли, что физика элементарных частиц потеряла статус лидера естествознания, что исследования в этой области надо сокращать. Это были не только слова, следствием неудачи в поиске кварков стало сокращение финансирования этой отрасли науки, уход молодых научных кадров в другие области исследований, было прекращено строительство новых ускорителей и модернизация старых. Отсутствие кварков, как реальных физических объектов, превращало представление о них лишь в способ математического описания. Но ведущие физики-теоретики не прекращали работу. Именно в этот период кризиса Стивен Вайнберг и Абдус Салам сформулировали единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий. Тогда же зародилась и теория взаимодействий кварков и глюонов — квантовая хромодинамика, которая объяснила успех партонной модели, предложенной Ричардом Фейнманом для описания процессов глубоко-неупругого рассеяния электронов на протонах. Однако эти результаты теории еще не воспринимались, как ключ к пониманию устройства природы.
Были
и такие факты в эксперименте, которые
выделялись даже на фоне общей неясности
и предвещали приближение нового этапа
исследований микромира, например,
осцилляции K0-мезонов.
Важнейшим результатом теории стало
предсказание на основе изучения K-мезонов
существования четвертого с-кварка.
Интересно, что был разработан проект
поиска связанных
состояний на ускорителе в Серпухове,
однако проект не был реализован. Этот
эксперимент провели в Серпухове лишь
спустя несколько недель после открытия
новой частицы, лишь подтвердив факт ее
существования. Зарегистрировали же
связанное состояние четвертого кварка
на ускорителе в Батавии (США), и сама
история этого открытия поучительна и
драматична. Эксперимент был закончен
Тингом в январе 1974 года, а статья об
обнаружении новой частицы, названной
им J-мезоном, была направлена в журнал
только в ноябре, почти год проверялись
данные весьма трудоемкого эксперимента,
оценивались погрешности измерений.
Можно только поразиться выдержке и
добросовестности ученого, прекрасно
осознающего роль этого открытия,
исключительно важного для физики
элементарных частиц. Как потом выяснилось,
несколько позже, через несколько месяцев
новую частицу открыл и Рихтер в
экспериментах совершенно другого типа
— на встречных электрон-позитронных
пучках. Рихтер завершил эксперимент,
когда его контракт уже заканчивался.
Эксперимент очень долго готовился, и
уже не оставалось времени для детального
изучения всей энергетической шкалы.
Нужно было сразу угадать положение
новой частицы на этой шкале, что Рихтер
сумел сделать лишь за несколько месяцев
до того, как его установка была бы
разобрана. Эффект возникновения новой
частицы в эксперименте Рихтера носил
резонансный характер, так что почти
сразу был получен достоверный результат.
Сообщение об открытии
-резонанса,
названного Рихтером -мезоном,
было отослано в печать практически
одновременно с Тингом. Поэтому обнаруженная
ими частица сейчас носит двойное имя —
J/-мезон.
Но история открытия на этом не
заканчивается. В Италии тоже имелся
хороший ускоритель, на котором группа
квалифицированных физиков вела точные
измерения по отработанной методике.
Они последовательно двигались по
энергетической шкале шаг за шагом и в
ноябре 1974 года работали точно в области
3 ГэВ, тщательно изучив все объекты,
проявляющиеся при меньших энергиях.
Сразу скажем, что масса J/-частицы
примерно 3.1 ГэВ, а ее ширина — занимаемый
ею диапазон на энергетической шкале —
менее 0.1 МэВ, то есть это узкий резонанс.
Итальянские физики не продвинулись
дальше по энергиям, скрупулезно изучая
ограниченный интервал энергий, если бы
они сдвинулись чуть выше, данных об
относительных вероятностях рождения
адронов хватило бы им, чтобы понять,
какой новый объект виден в их экспериментах.
Об открытии Рихтера они узнали по
телефону и, увеличив энергию своих
пучков всего на 3%, они сразу обнаружили
-
резонанс. Сообщение о своих результатах
было продиктовано ими сразу в редакцию
журнала, их статья вышла одновременно
с сообщениями Тинга и Рихтера, но
Нобелевская премия по физике им уже не
досталась. Так что исследователю природы
нужно обладать обширным комплексом
человеческих качеств, одних только
аккуратности и методичности недостаточно
для совершения открытия, нужно обладать
развитой физической интуицией, уметь
быстро ориентироваться в ситуации и
даже рисковать. И в этом тоже ощущается
драматичность процесса познания природы.
После этого открытия события в физике развивались бурно. В короткое время была окончательно установлена реальность кварков, как физических объектов, сформулирована концепция конфайнмента, причем сразу же в правильных терминах. Конфайнмент рассматривался как свойство физического вакуума, после чего акцент стал переноситься на изучение структуры физического вакуума. Это и позволило к концу ХХ века установить приоритет проблем в фундаментальной физике. Параллельно развивалась и другая линия — исследование объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Сначала к ней не относились как к фундаментальной теории, претендующей на полное описание микромира, ситуация изменилась лишь после открытия нейтральных нейтринных токов. Долгое время считалось, что при слабых взаимодействиях обязательно меняется тип участвующих в них частиц, например, мюон превращается в мюонное нейтрино и электрон-нейтринную пару, аналогично, взаимодействие электронного нейтрино с веществом приводит к превращению нейтрино в электрон. Теория же Салама - Вайнберга предсказывала и процессы, когда нейтрино оставалось самим собой. Явления такого типа и назывались процессами с нейтральными нейтринными токами. Экспериментально этот процесс обнаружить было непросто, так как слабо взаимодействующие нейтрино очень трудно зарегистрировать. Чтобы взяться за этот эксперимент будущим Нобелевским лауреатам нужно было рискнуть, положительный результат был далеко не очевиден, а исследование требовало значительных технических и интеллектуальных усилий. Тем не менее оно было проведено и его итогом стало доказанное утверждение — теория Салама-Вайнберга описывает физическую реальность. Тогда поверили и в реальность W и Z бозонов — переносчиков слабого взаимодействия. Спланированный эксперимент по их поиску проводился уже в полной уверенности положительного результата, поскольку теория к тому времени правильно предсказала уже множество явлений. Так и случилось — W и Z бозоны были обнаружены в полном соответствии с предсказаниями теории в 1983 году. Начиная с этого момента, приоритетными задачами экспериментальной физики высоких энергий становятся поиски оставшихся объектов Стандартной Модели: шестого t-кварка, нейтрино третьего поколения и, наконец, хиггсовского бозона. Первая из этих задач решена в 1994 году, вторая — в 2000 году, а хиггсовский бозон остается до сих пор неуловимым, несмотря на то, что премия за его открытие уже ожидает исследователей в Нобелевском комитете.
Судя по всему, проблема обнаружения хиггсовского бозона есть новый виток, следующий акт драмы познания. Интересно и поучительно заметить, что подобная ситуация уже была в науке примерно сто лет назад, когда казалось, что строительство величественного здания физической науки завершено. Оставалось устранить в нем лишь парочку небольших «строительных дефектов» — не было полного теоретического описания спектра излучения абсолютно черного тела и требовалось уточнить свойства эфирной среды. Причем экспериментальное исследование теплового излучения было проведено детально, не хватало лишь общей картины (предельные участки спектра описывались на феноменологическом уровне формулами Релея-Джинса и Вина). В изучении эфира ситуация была обратной — теоретических схем было накоплено достаточно, нужен был решающий эксперимент. Результат этого эксперимента оказался, впрочем, гибельным для всей концепции эфира. Точно так же, выдвинутая Планком идея о поглощении излучения веществом отдельными порциями — квантами, не только объяснила все особенности спектра поглощения для черного тела, но и привела к уничтожению всевластия механистического подхода. Так из двух «маловажных частностей» в описании природы выросли в дальнейшем квантовая теория и теория относительности, то есть вся физика ХХ века.
Мы уже говорили, что ситуация в физике XX века была образно охарактеризована Эйнштейном как драма идей. Глобальное ее содержание в следующем: оказалось, что результаты экспериментальных исследований, проведенных на рубеже XIX и XX веков, невозможно истолковать в рамках привычных теоретических образов и динамических концепций. В первую очередь, физики были вынуждены объединить пространство и время в единое 4-мерное многообразие, что противоречило сложившимся к концу XIX века макроскопическим представлениям о 3-мерном пространстве и одномерном времени с независимыми друг от друга свойствами. Затем для понимания природы гравитации этот 4-мерный пространственно-временной континуум пришлось искривить, что еще дальше уводило от наглядных представлений и, так называемого, здравого смысла.
Второй этап становления физики ХХ века была обусловлен появлением квантового описания объектов и процессов микромира. Результатом использования физической теории, адекватно объясняющей имеющиеся в то время экспериментальные факты, стала необходимость отказа от концепции механистического детерминизма, не справляющейся с обилием принципиально неинтерпретируемых в ее рамках явлений. Процесс становления в естествознании новых парадигм, поначалу очень непривычных и чуждых повседневному человеческому опыту, означал тяжелый и, подчас драматический, пересмотр устаревших представлений.
В конце ХХ века сложилась похожая ситуация, имеющая, впрочем, и некоторые новые черты. Один из драматичных аспектов проблемы существования хиггсовского бозона состоит в том, что теоретически этот объект описан, но данных эксперимента до сих пор нет. А от этого результата зависит судьба современной теории элементарных частиц — последнего достижения физики ХХ века. Если будет строго экспериментально доказано отсутствие в природе хиггсовского бозона, по своим свойствам точно соответствующего предсказаниям Стандартной Модели, пересмотр представлений о структуре вакуума Стандартной Модели станет неизбежен, что, в свою очередь, приведет, как минимум, к понижению статуса этой теории до уровня феноменологической схемы. Такую перспективу можно рассматривать и как пугающую, и как вдохновляющую, поскольку на смену хиггсовской концепции вакуума, несомненно, будет выдвинута иная парадигма. Однако помимо этого аспекта, существует еще один: в исследованиях непертурбативного вакуума квантовой хромодинамики сложилась обратная ситуация — экспериментальные данные (конечно, не абсолютно полные) о существовании вакуумных подсистем, например, кварк-глюонного конденсата, есть, но исчерпывающее теоретическое их описание отсутствует. Эти элементы сегодняшней драмы идей порождаются как ограниченными возможностями современной квантовой теории и локального эксперимента, так и их необоснованными претензиями на описание (в результате экстраполяции) явлений глобального характера. Сейчас, на ступенях будущего здания физической науки XXI века, мы находимся в ожидании разрешения этих исключительно важных вопросов, ответ на которые определит и архитектуру нового храма науки, и наше место в нем.
Упомянем еще одну сторону современной драмы идей в фундаментальной науке, обусловленную ситуацией в космологии. Речь идет о проблемах темной материи и - члена. В последнем случае ситуация складывается весьма похоже на ту, что была почти век назад — экспериментальные сведения получены, но их осмысление в рамках какой-то разумной теории отсутствует. Природа же темной материи представляет собой загадку, для разгадки которой ощущается недостаточность экспериментальных и теоретических инструментов. Так что, если сто лет назад лишь два темных пятна мешали восхищаться стройностью и гармоничностью наших представлений о Мире, теперь «темной материи» намного больше. Причем на физической сцене имеются все возможные сочетания нерешенных проблем теории и эксперимента, общим источником которых является существование и проявление сложнейшей иерархической вакуумной структуры, самоорганизующейся, а может быть, даже живой (и разумной?).
Очевидно, что современный сценарий этой великой драмы познания написан по мотивам физики и космологии вакуума. В отличие от ситуации столетней давности, когда или искали способ описания наблюдаемых явлений локального характера, или проводили локальные эксперименты для подтверждения теории, сегодня главным источником проблем является сложность самого изучаемого объекта. Глубина этих проблем такова, что приводит к изменению стрелы познания. Если раньше вся сложность системы могла быть сведена только лишь к большому числу достаточно простых ее частей, то уже на уровне кварков двигаться в этом направлении оказалось невозможным. Бесцветные кварковые системы нельзя представить в виде набора отдельных элементов и относительно слабых связей между ними во всем энергетическом диапазоне. Невозможность разбиения означает необходимость изучения сложных структур на уровне целостной системы вакуума.
Разворот познания тоже происходит драматично. Даже для ученых-профессионалов это непросто, поскольку во многих случаях лишает ученого шанса на выполнение своей жизненной задачи. Для человека же вообще это означает изменение всей его культуры, радикальное изменение миропонимания.
Столкновение в процессе познания с задачами не представимого ранее уровня сложности одновременно требует от земной цивилизации серьезного пересмотра всей системы взглядов на человека и его взаимосвязь с природой. В зеркале природы человек видит не только себя, как самое сложное творение, но и прозревает черты иной, отличной от него, но не менее (а, возможно, и более) сложной структуры —физического вакуума. Все целостные системы высокого уровня сложности взаимозависимы, взаимообусловлены и отражают свойства друг друга в рамках целостной структуры более высокого уровня целостности. Понимание уже одного этого факта, даже при отсутствии системных представлений о путях изучения таких комплексов, означает переломный момент в истории человеческой культуры. Возникновение сегодня новых концепций в мировоззрении имеет аналог лишь в формулировке древними мыслителями натурфилософских взглядов на природу, или с некоторыми религиозными или художественными парадигмами глобального характера. Несомненно, что начинающийся поворот к новой культуре взаимоотношений и взаимопонимания человека и природы, не сможет не породить глубокий гносеологический и психологический кризис, как часть общеисторической драмы идей в познании Мира. Сейчас, на рубеже веков, мы это так же остро ощущаем, как и осознаем неизбежность нового витка в истории человеческого познания и культуры.
Можем ли мы дать какие-то прогнозы на будущее? Теперь мы вступаем в область гипотез. Имело бы смысл сопоставить взгляды различных исследователей и их прогнозы. Однако, чтобы дать такой прогноз, надо хотя бы на время выйти из научной гонки и подумать. Ситуация в науке требует, на наш взгляд, не только получения новых результатов в рамках очевидно ограниченных подходов, но и глубокого системного анализа проблем с учетом всех факторов экономического, психологического и научного характера. В частности, примером неглубокой оценки складывающейся ситуации являются систематические утверждения о том, что весь наблюдаемый мир можно описать именно и только в рамках Стандартной Модели, и нужны лишь простейшие дополнения к ней типа нового стабильного тяжелого нейтрино для объяснения природы темной материи. Так же можно оценить утверждения о том, что все свойства непертурбативного вакуума удастся описать в рамках евклидового варианта квантовой хромодинамики, фактически отказываясь от построения динамики вакуума в реальном времени и рассчитывая лишь на возможности его схематичного описания путем определения вероятностей переходов между начальными и конечными топологическими состояниями. Аналогично, и проблему - члена иногда пытаются решить либо путем точной подгонки констант, либо введением гипотетических классических полей, не ставя задачу исследования генезиса этого параметра и его динамической связи с вакуумом. Такое стремление к упрощению ситуации, на самом деле означает игнорирование внутренних проблем теории, когда в круг учитываемых не входят те явления, которые лежат за пределами реального (локального) эксперимента. В существовании этих явлений, однако, нет сомнений, например, к ним относится Большой Взрыв, или та область энергий, где происходит объединение всех взаимодействий. С нашей точки зрения, драматичность ситуации в науке особенно возрастет, если в ней будет доминировать такой упрощенный подход. Временное его торжество возможно, например, если измеренные в эксперименте свойства хиггсовского бозона точно совпадут с предсказаниями простейшей версии СМ. Это не будет означать исчезновение всех проблем, будет лишь отложена постановка вопросов о более детальном исследовании структуры вакуума. Такая возможность развития драмы идей в физике существует, но, с точки зрения авторов, она все же маловероятна. Гораздо более вероятен радикальный пересмотр существующих концепций, в частности, уточнение как концепции унификации, так и динамической концепции на основе изменяющихся представлений об объекте исследований, способе и методах его описания. Проблемы теории познания в XXI веке, по-видимому, не удастся свести только к чисто методологическим проблемам, решение которых достигается только выбором алгоритма и метода исследований. Новый, идеологический элемент научной драмы идей, обусловлен не имеющей аналога сложностью объекта познания, которая может превышать сложность познающего субъекта.
Резюмируем: можно с уверенностью прогнозировать, что в фундаментальной физике XXI века нас ожидает еще более драматическая ситуация, качественно отличающаяся от драмы идей, разыгравшейся в ушедшем столетии. Необходимость отказа от так называемого здравого смысла, необходимость понять то, что иногда невозможно даже вообразить, становится определяющей чертой процесса познания основ мироустройства и порождает новые элементы человеческой культуры. Использование в нашем мышлении сложных абстрактных образов и категорий должно стать нормой, обеспечивающей необходимые изменения в структуре и методологии познания. Драма идей теперь состоит в другом — как уже отмечалось, в процессе познания мира мы впервые в истории науки приступаем к изучению фундаментального для мироздания объекта — физического вакуума, сложность которого поражает наше воображение. Мы абсолютно уверены в его существовании, но при этом у нас нет уверенности, что мощности человеческого мозга достаточно для восприятия, систематизации и анализа информации о сложной иерархической структуре вакуума. Впервые мы столкнулись с проблемами принципиально иного пространственно-временного масштаба (изучению подлежат и сверхмалые и сверхбольшие масштабы, что очень далеко от наших собственных масштабов) и сложной структуры. По силам ли человеку проникнуть в устройство вакуума, описать факт рождения Вселенной? Сейчас мы драматически переосмысливаем свои возможности, как разумных существ, и свое место в мире. Интуитивный и наивный антропоцентризм, выражающийся в нашей самооценке, как наиболее сложных структур наблюдаемого Мира, уходит в прошлое. Какими окажутся результаты эволюции наших представлений о Мире, дадут ли они импульс эволюции самого Человека — это покажет будущее. Решение проблемы должно начинаться с изучения их масштабов, и ясный взгляд на трудности пути необходим. В прочитанной Вами книге мы старались выявить источник и характер проблем фундаментальной науки будущего века, оценить величину усилий, необходимых человечеству для решения этих проблем, и последствия этих решений для цивилизации Земли. Будет очень хорошо, если наш труд окажется полезным каждому, кто каким-либо образом участвует в поиске Истины. Решение проблем должно начинаться с изучения их масштабов, и ясный взгляд на трудности пути необходим. Какими бы ни были сегодня наши представления об этих трудностях, продолжая процесс исследования, мы должны не забывать слова Альберта Эйнштейна: «Во всех наших усилиях, во всякой драматической борьбе между старыми и новыми воззрениями мы узнаем вечное стремление к познанию, непоколебимую веру в гармонию нашего мира, постоянно усиливающуюся ростом препятствий к познаванию».
Cписок использованной литературы:
1. А.Эйнштейн, Л.Инфельд. Эволюция физики. — ОГИЗ, 1948
2. Н.Бор. Атомная физика и человеческое познание. — М. 1961
3. С.Вайнберг. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. — М. Энергоиздат, 1981
4. В.Вайскопф. Физика в двадцатом столетии. — М. 1977
5. В.Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. — М. «Мир», 1989
6. И.Пригожин, И.Стенгерс. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой. — М. «Прогресс», 1986
7. Дж.Уилер. Гравитация, нейтрино и Вселенная. — М. «Мир», 1982
8. Э.Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? — М. «Мир», 1977
9. В.Л.Гинзбург. О физике и астрофизике. — М. «Наука», 1980
10. И.Л.Розенталь. Элементарные частицы и структура Вселенной. — М. «Наука», 1984
11. E.Л.Фейнберг. Две культуры: интуиция и логика в культуре и науке. — М. «Наука»,1992
12. А.С.Сонин. Физический идеализм. История одной идеологической кампании. — М. «Наука», 1995
13. Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов. Драма идей в познании природы. — М. «Наука», 1988
14. В.Л.Гинзбург. О науке, о себе и о других. — М. «Наука», 1997
15. Б.Б.Кадомцев. Динамика и информация. — М. Изд. ред. журн. УФН, 1997
16. И.А.Климишин. Релятивистская астрономия. — М. «Наука», 1989
17. Г.В.Гивишвили. О «сверхсильном» антропном принципе. — Вопр. филос., №2, с.42, 2000
18. И.Берлин. Назначение философии. — Вопр. филос., №5, с.91, 1999
19. М.И.Штеренберг. Принципы организации и самоорганизации. — М. Изд. журн. Биофизика РАН, 2000
20. Д.С.Чернавский. Проблема происхождения жизни и мышления с точки зрения современной физики. — УФН, т.170, № 2, 2000
21. J.Bub. Interpreting the Quantum World. — Cambridge Univ. Press, 1997
22. P.J.E.Peebles. Principles of Physical Cosmology. — N.Y. Princeton Univ. Press, 1993
23. J.Anandan. Are there dynamical laws? — Found. Phys., v.29, № 11, 1999
24. R.B.Griffits, R.Omnes. Consistent histories and quantum measurements. — Phys. Today, v.52, № 8, 1999
25. A.Gregory. Ancient science and the vacuum. — Phys. Educ., v.34, №4, 1999
26. H.Nilles. Directions beyond the Standard Model. — CERN Cour., v.39, №2, 1999
27. E.W.Kolb, M.S.Turner. The Early Universe. — N.Y. Addison-Wesley,1990
28. Heavy implications for the first second. — CERN Cour., v.40, № 3, 2000
29. F.Clase. The electron century. — CERN Cour., v.40, № 1, 2000
30. S.Mallik. Production of baryon asymmetry of the Universe at the electroweak era. — Indian J. Phys., v.A70, №3, 1996
31. Discovering new dimensions at LHC. — CERN Cour., v.40, №2, 2000
32. D.P.Roy. The top story. — Indian J. Phys., v.A70, №3, 1996
33. S.P.Misra. Vacuum structure of chiral symmetry breaking. — Indian J. Phys., v.A70, №3, 1996
34. J.Maddox. The unexpected science to come. — Sci.Amer., v.281, №6, 1999
35. S.Weinberg. A unified physics by 2050? — Sci.Amer., v.281, № 6, 2000
36. D.Kestenbaum. Practical tests for an “untestable” theory of everything? — Science, v.281, №5378, 1998
37. M.Buchanan. Why God plays dice. — New Sci., v.159, №2148, 1999
38. P.Ferreira. The quintessence of cosmology. — CERN Cour., v.19, №5, 1999
39. B.Clare. LEP pursues Higgs boson and greater W precision. — CERN Cour., v.39, №9, 1999
40. G.Rajasekaran. High energy physics in the 21st century. An overview. — Curr. Sci., v.71, №2, 1996
41. R.Ramachandran. High energy physics in the 21st century. A summary. — Curr. Sci., v.71, №2, 1996
42. Latest news from the early universe. — CERN Cour., v.39, №9, 1999
43. E.Kearns, T.Hajita, Y.Totsuka. Detecting massive neutrinos. — Sci.Amer., v.281, №2, 1999
44. O.Hecht. Out of this world. — New Sci., v.160, №2157, 1998
45. J.Ellis. Why does CP violation matter to the universe? — CERN Cour., v.39, №8, 1999
46. M.Peskin. Electroweak reconcillation. — Science, v.281, №5383, 1998
47. Д.И.Казаков. Ждем новых открытий в физике элементарных частиц! —Природа, №9, 1999
48. J.R.Primack. A little hot dark matter matters. — Science, v.280, №5368, 1998
49. B.G.Levi. Strings may tie quantum gravity to quantum chromodynamics. — Phys.Today, v.51, №8, 1998
50. P.Passerini. Science heading for a split: A naturalist between modern and classical physics. — Ata natur. “L’Ateneo parm.”, v.34, №3-4, 1998
51. G.Rajasekaran. Perspectives in high energy physics. — Indian J. Phys., v.A72, №6, 1998
52. T.Monteiro. Get a quantum grip. — New Sci., v.158, №2137, 1998
53. R.Hakim. An elementary introduction to relativistic gravitation. — Celest. Mech. and Dyn. Astron., v.72, №1-2, 1998-1999
54. П.С.Исаев. Некоторые проблемы физики космических лучей сверхвысоких энергий. — Сообщение ОИЯИ, Р2-99-33, 1999, Дубна
55. А.И.Ахиезер, Р.В.Половин. Почему невозможно ввести в квантовую механику скрытые параметры. — УФН, т. 107, вып.3, 1972
56. Л.Б.Окунь. Лептоны и кварки. — М. «Наука», 1990
57. В.А.Рубаков. Физика частиц и космология: состояние и надежды. — УФН, т.169, № 12, 1999
58. В.Л.Гинзбург. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге ХХI века)? — УФН, т.169, №4, 1999
59. А.Д.Линде. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. — М. «Наука», 1990
60. Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, К.Цюбер. Астрофизика элементарных частиц. — М. Изд. ред. журн. УФН, 2000
61. Particle and Nuclear Astrophysics and Cosmology in the Next Millenium. Eds. E.W.Kolb, R.D.Peccei. — Singapore, World Scientific,1995
62. Г.Хакен. Синергетика. — М. «Мир», 1985
63. Н.Харт. Геометрическое квантование в действии. — М. «Мир», 1985
64. R.N.Mohapatra. Unification and Supersymmetry. — Springer-Verlag, 1986
65. С.Вайнберг. За рубежом первых трех минут. — УФН, т.134, вып.2, 1981
66. М.Гелл-Манн. От перенормируемости к вычислимости. — УФН, т.151, №4, 1987
67. Ш.Глешоу. Кварки с цветом и ароматом. — УФН, т.119, №3, 1976
68. Дж.Иллиопулос. Введение в калибровочные теории. — УФН, т.123, №1, 1977
69. Г.T'Хофт. Калибровочные теории сил между элементарными частицами. — УФН, т.135, №2, 1981
70. С.Вайнберг. Проблема космологической постоянной. — УФН, т.158, №4, 1989
71. Я.Б.Зельдович. Теория вакуума и космология. — УФН, т.133, № 3, 1981
72. Р.Э.Тейлор. Глубоко-неупругое рассеяние. Ранние годы. — УФН, т.161, №2, 1991
73. В.Нестеренко, Б.Барбашов. Суперструны — новый подход к единой теории фундаментальных взаимодействий. — УФН, т.150, № 4, 1986
74. Д.Казаков. Суперструны, или За пределами стандартных представлений. — УФН, т.150, № 4, 1986
75. М.Грин. Теории суперструн в реальном мире. — УФН, т.150, № 4, 1986
76. С.Энтони. Суперструны: всеобъемлющая теория? — УФН, т.150, № 4, 1986
77. К.А.Постнов. Космические гамма-всплески. — УФН, т.169, №5, 1999
78. А.М.Поляков. Калибровочные поля и струны. — Ижевск, изд. Удмурт. унив., 1999
79. П.Уэст. Введение в суперсимметрию и супергравитацию. — М. «Мир», 1989
80. Л.Бринк, М.Энно. Принципы теории струн. — М. «Мир», 1991
81. М.Грин, Дж.Шварц, Э.Виттен. Теория суперструн (в 2-х т.). — М. «Мир», 1990
82. G.Altarelli. The Standard Electroweak Theory and Beyond. — in Proc. of the Summer School on Phenomenology of Gauge Interactions, Switzerland, 2000
83. A.Sopczak. Higgs boson searches at LEP. — Indian J. Phys., v.A73, №1, 1999
84. N.K.Mondal. Searches for new particles at Tevatron. — Indian J. Phys., v.A73, №1, 1999
85. Workshop on QCD: 20 Years Later. — Aachen, Germany, 1991
86. Critical Problems in Physics. Eds. V.L.Fitch, D.R.Marlow, M.A.Dementi, — N.Y. Princeton Univ. Press, 1997
87. A.Linde. Inflationary cosmology. — Phys. Scr., v.85, p. 168, 2000
88. D.Tytler, J.O’Meara, N.Suzuki, D.Lubin. Review of Big Bang nucleosynthesis and primordial abundances. — Phys. scr., v.85, p. 12, 2000
89. M.S.Turner. Dark matter and dark energy in the Universe. — Phys. scr., v.85, p. 210, 2000
90. M.Kamionkowsky, A.Kosowsky. The cosmic microwave background and particle physics. — Annu. Rev. Nucl. and Part.Sci.,v.49, p.77, 1999
91. M.Demianski. History of the cosmological constant. — Ann. Phys., v.9, № 3-5, 2000
92. M.Ozer. Fate of the universe, age of the universe, dark matter and the decaying vacuum energy. — Astrophys. J., v.520, №1, 1999
93. J.B.Hartle. Quantum pasts and the utility of history. — Phys. scr., v.56, p.67, 1998
94. G.Bhattacharyya. Precision tests of the Standard Model. Present status. — Indian J. Phys., v.A72, №6, 1998
95. M.A.Shifman, A.I.Vainshtein, V.I.Zakharov. QCD and resonance Physics. — Nucl. Phys., v.B147, №4, 1979
96. А.И.Вайнштейн, В.И.Захаров, В.А.Новиков, М.А.Шифман. Квантовая хромодинамика и масштабы адронных масс. — ЭЧАЯ, т.13, с.542, 1982
97. M.Shifman. Snapshots of hadrons: Or the story of how the vacuum medium determines in properties of the classical mesons, which are produced, live and die in the QCD vacuum. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, р.1, 1998
98. A.Nakamura. Gluon propagators and QCD vacuum. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, p.585, 1998
99. Z.Hong. Vacuum condensates in the global color symmetry model. — Phys. Rev., v.C60, № 5, 1999
100. T.DeBrand, A.Hasenfratz, T.Kobacs. Structure of the QCD vacuum as seen by lattice simulations. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, p.573, 1998
101. T.Schafer, F.Wilczek. Continuity of quark and hadron matter. — Phys. Rev. Lett., v.82, №20, 1999
102. T.G.Rizzo. More and more indirect signals for extra dimensions at more and more colliders. — Phys. Rev., v.D59, №11, 1999
103. A.Smilga. Physics of hot QCD. — Nucl. Phys., v.A654, №1-2, 1999
104. C.D.Roberts. Nonperturbative effects in QCD at finite temperature and density. — ЭЧАЯ, т.30, вып.3, 1999
105. C.H.Bennett, P.Shor. Quantum information theory. — IEEE Trans. Inf. Theory, v.44, №6, 1998
106. А.Ю.Морозов. Теория струн — что это такое? — УФН, т.162, вып.8, 1992
107. В.Н.Первушин. О физическом вакууме в КХД. — ЭЧАЯ, т.15, вып.5, 1984
108. E.W.Shuryak. Instantons in QCD vacuum and phase transitions. — Progr. Theor. Phys. Suppl., №131, p.369, 1998
109. E.Shuryak, T.Schafer. The QCD vacuum as an instanton liquid. — Annu. Rev. Nucl. and Part. Sci., v.47, p.359, 1997
110. L.J.Garay. Thermal properties of space-time foam. — Phys. Rev., v.D58, № 12, 1998
111. А.А.Кириллов. Об эффектах, связаных с пространственно-временной пеной, в физике частиц. — ЖЭТФ, т.115, №6, 1999
112. S.Chakraborty, L.Biswas. Non-static general relativistic domain walls. — Phys.scr., v.60, №3, 1999
113. Review of Particle Physics. — The Eur. Phys. Journ., v.C15, № 1, 2000
114. G.Munster, M.Walzl. Lattice Gauge Theory — A Short Primer. — in Proc. of the Summer School on Phenomenology of Gauge Interactions, Switzerland, 2000
115. N.Straumann. Gauge Theory and Gravitation. — in Proc. of the Summer School on Phenomenology of Gauge Interactions, Switzerland, 2000