Канке В.А. Энциклопедия философии науки

Глава 22. Философия физики

Р.С. Нахмансон, рассматривая падение частицы на двухщелевой экран, полагает, что сама частица решает, в какую щель ей пройти; он ведет речь о «сознании самой частицы» [39, с. 442]. Сознанием обладает уже не только человек, но и материя в целом. И.З. Цехмистро довольно рискованно проводит параллель между механизмом квантовых корреляций и природой сознания. «Действительно, все структуры сознания имеют в своей основе как раз импликативные (а не причинные) связи и зависимости» [32, с. 458]. А.М. Пилан ищет в мире «детерминирующую информацию»: «ничто не мешает воображать весь мир «квантовым компьютером», вычисляющим и нашу судьбу» [40, с. 445]. При этом следует четко различать: 1) активность субъекта как творца квантовой механики; 2) активность субъекта в эксперименте; 3) возможность редуцирования сознания к физическим явлениям.

Вышеприведенные точки зрения М.Б. Менского, Р.С. Нахмансона и И.З. Цехмистро в той или иной форме утверждают возможность редуцирования сознания к физическим явлениям. Пожалуй, не станет преувеличением утверждение, что все трое придерживаются физикалистской позиции. Современные научные данные не дают никаких оснований для обоснования правомерности физикализма. Мы расцениваем редукцию сознания к физическим явлениям как метафизическую концепцию. Сама по себе метафизика непродуктивна до тех пор, пока она не переведена в метанаучную плоскость. К слову, А.М. Пилан отказывается от физического редукциализма в пользу информационного, точнее – негаэнтропийного. На этот раз статус универсальности придается не физике, а превратно истолкованной информациологии. И вновь налицо метафизическая позиция вместо научной.

Что касается активности субъекта как творца (изобретателя) квантовой механики, то она, разумеется, не вызывает сомнений. Показательна в этой связи сама история развития квантовомеханических представлений. Более всего поражает довольно-таки нетривиальное истолкование используемого в квантовой механике математического моделирования. Активность субъекта в эксперименте свидетельствует о том, что он не является пассивным наблюдателем. Чтобы заполучить информацию об изучаемых явлениях, ему приходится действовать. Причем эта информация не может быть выделена за один

461

Часть 2. Специальная философия науки

прием. Исследователь вынужден использовать взаимодополнительные приборы и должным образом интерпретировать экспериментальные данные. Определенность этих данных не может быть изменена экспериментатором по своему произволу.

В квантовой механике известный постпозитивистский парадокс – «факты теоретически нагружены, и, следовательно, не имеют смысла сами по себе, без теории» – особенно трудно преодолим. И тем не менее это возможно. Отметим в очередной раз: наука не заканчивается онтологическим описанием фактов, она предполагает еще и переход от фактов к самим объектам. Ограниченность наших теорети- ческих позиций никак не отменяет самостоятельного существования микро- и макросистем. К примеру, Солнце, равно как и другие космические объекты и элементарные частицы, существуют независимо от наших желаний и концептуальных систем. Микрообъекты и макросистемы познаются посредством теории и эксперимента, но отсюда никак не следует вывод, что они вызываются к жизни физиками. Развитая физическая теория включает переход от фактов к выводу о самостоятельном существовании физических объектов. Этот переход как теоретическая акция не попал в поле внимания А. Эйнштейна и Н. Бора.

Квантовая механика, равно как и любая другая физическая теория, приобретает полноту физического смысла лишь тогда, когда она подтверждается. Феномен подтверждения относится и к области перехода от фактов к объектам. В случае отказа от него весь мир физических явлений предстает как виртуально-мыслительный, и не более того. Но практика физического эксперимента, в котором различ- ные физики наблюдают одни и те же эффекты и осуществляют успешные предсказания будущего тех или иных физических процессов, вынуждает признать онтический статус квантовых явлений. Защищаемая нами позиция, разумеется, весьма далека от романтизма наивного материализма, согласно которому тезис о реальности физических явлений не нуждается в обосновании.

О своеобразии квантовомеханического способа описания. Квантовая механика столь своеобразна, что после ее успехов пришлось существенно пересмотреть статус теоретического описания. Сравним две ключевые формулы соответственно для механики Ньютона и квантовой механики:

462

Глава 22. Философия физики

F = ma;

ˆΨ = Ψ .

A a

В механике Ньютона каждому физическому символу соответствует измеряемый элемент физической реальности. В квантовой механике это правило не выполняется. Измеряется а, т. е. собственное зна-

чение оператора ˆ , но не он сам как таковой и не волновая функ-

A

ция Ψ . Физические уравнения отображают ход реальных физических процессов, но в своеобразной концептуальной форме. Научное мышление не фотографирует действительность, оно воспроизводит его в концептуальной форме, которая кульминирует в квантовой механике в понятии волновой функции. Крайне существенно, что в концептуальном отношении квантовая механика привела к перестройке всего современного естествознания. В соответствии с принципом научной актуальности любое физическое классическое описание должно быть переосмыслено в квантовомеханической перспективе (это актуально также для химии, геологии и биологии). Часто это не делается, а потому создается впечатление, что классическая наука может обойтись без квантовой механики. Такое мнение не позволяет некоторой части ученых и педагогов освободиться от груза устаревших представлений.

22.5. Квантовая теория поля

Ретроспективный взгляд на квантовую механику показывает, что ее развитие неизбежно должно было иметь продолжение. И действительно, обобщение квантовой механики привело к квантовой теории поля (КТП). Случилось это в конце 1920-х годов. Квантовая механика описывает движение частиц. Но наряду с частицами в картине мира классической физики фигурировало еще и поле, например электромагнитное или гравитационное. Естественно возникал вопрос о квантовом характере не только частиц, но и поля. Поле – зна- чительно более сложный объект, нежели частица. В отличие от нее оно обладает бесконечным числом степеней свобод. В этой связи был разработан особый способ описания поля, предполагающий его понимание в качестве совокупности частиц. Важнейшая научная зада-

463

Часть 2. Специальная философия науки

ча состояла в том, чтобы создать теорию элементарных частиц, которая адекватно описывала бы все их метаморфозы, в том числе гибель и зарождение. Эта задача усложнялась еще и тем, что успехи экспериментаторов привели к необходимости различения, по крайней мере, четырех типов взаимодействий элементарных частиц: гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых. В теоретическом объяснении нуждался также «зоопарк» элементарных частиц, который пополнялся все более экзотическими экспонатами (нейтрино, -мезоны, античастицы и т. п.) На пути к последовательной квантовой теории поля физики встретились с колоссальными сложностями. Рассмотрим те из них, которые имеют наибольший философский вес.

Трудности с бесконечностями. В 1949 г. Р. Фейнман предложил способ графического изображения частиц, при котором взаимодействующие частицы изображаются сплошными линиями, а кванты взаимодействия – волнистыми. На нижеприведенной диаграмме изображено взаимодействие двух частиц (I и II), которое осуществляется двумя квантами.

Частица I излучает квант взаимодействия в вершине 1, который поглощается частицей II в вершине 2; в свою очередь частица II излучает квант взаимодействия в вершине 3, который поглощается ча- стицей I в вершине 4. В амплитуду вероятности процесса вклад делает каждая из вершин, причем этот вклад пропорционален так называемым константам взаимодействия тех частиц, линии которых встречаются в той или иной вершине [41, с. 88]. Если вершин много, что характерно, например, для слабых взаимодействий, или же константа взаимодействия велика (сильные взаимодействия), то амплитуда вероятности процесса (величины тех или иных его характеристик), вычисленная по соответствующим формулам, часто равна бесконечности. Такой результат физически несостоятелен. Он сви-

464

Глава 22. Философия физики

детельствует о том, что с теорией что-то не в порядке. Надо добиться элиминации бесконечностей. В случае если это удается, говорят, что теория перенормируема. Каков же путь к перенормируемой теории? Это как раз тот вопрос, который всегда вызывал и, надо полагать, будет вызывать головную боль у физиков.

Калибровочная инвариантность. Ранее неоднократно отмечалось, что в физической теории исключительно важную роль играют принципы инвариантности. Руководствуясь ими, физики определяют и уточняют вид уравнений физической теории. Речь идет о работе с основаниями физики как науки. Как выяснилось, именно уравнения, для которых справедлива калибровочная инвариантность, имеют особое значение в борьбе с бесконечностями. Как правило, это связано с уравновешиванием вкладов от различных вершин. Сам вид волновых функций частиц, которые записываются в экспоненциальной форме ψ (x)= eiϕ (x), указывает на то, что здесь инвариантность должна быть связанной с фазой ϕ (x) . Исходное уравнение должно быть проверено на предмет инвариантности после следующей замены:

ϕ (x)→ ϕ (+xα) (x).

Рассматриваемая инвариантность является фазовой инвариантностью. Однако по историческим причинам ее называют калибровоч- ной инвариантностью. Это название восходит к идеям Г. Вейля, который в 1920-х годах предположил, что специфика электромагнитных явлений должна выражаться свойствами пространства и времени. Согласно гипотезе Вейля масштабы длины и длительности меняются от одной области к другой, а для этого их необходимо проградуировать, прокалибровать так, чтобы они одновременно выражали природу как гравитационных, так и электромагнитных явлений. Идея калибровки масштабов длины и длительности и сейчас представляется многим исследователям весьма интересной, но к фазовой инвариантности, которая лишь внешне напоминает ее, она имеет косвенное отношение.

Изменение фазы волновой функции частицы приводит к появлению в уравнении новых членов. Чтобы обеспечить инвариантность уравнения движения относительно преобразований Лоренца, приходится в него добавлять новые члены, так называемые векторные ком-

465

Часть 2. Специальная философия науки

пенсирующие поля [41, c. 104, 105]. Иначе говоря, калибровочная инвариантность выявляет роль поля, которое выступает поставщиком квантов взаимодействия, причем все они, будучи безмассовыми, обладают спином (собственным моментом импульса) равным единице (спин гравитона равен 2, в противном случае он не мог бы обеспечить притяжение). Квантами взаимодействия для электромагнитных процессов являются фотоны, а для сильного взаимодействия – глюоны. Калибровочная инвариантность позволила выявить соотношение между частицами и полями. Но ее роль для преодоления трудностей с бесконечностями по-настоящему была осознана лишь после обнаружения явления спонтанного нарушения симметрии.

Спонтанное нарушение симметрии. Для физиков образцом калибровочной инвариантности была квантовая электродинамика Максвелла–Энштейна–Дирака. Было вполне естественно воспользоваться этим образцом при осмыслении слабых и сильных взаимодействий. Но в обоих случаях возникали сложности. Рассмотрим проблему калибровочной инвариантности на примере слабых взаимодействий, в которых участвуют все частицы за исключением фотона. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что слабое взаимодействие короткодействующе, радиус его действия меньше 10–15 см. Но это означает, что кванты слабого взаимодействия обладают зна- чительной массой, что противоречит, по крайней мере, на первый взгляд, калибровочной инвариантности. Действительно, согласно калибровочной инвариантности массы квантов взаимодействия должны быть равны нулю.

Эффектный выход из сложившейся ситуации удалось найти американцу С. Вайнбергу и пакистанцу А. Саламу, которые использовали наработки английского физика П. Хиггса. Они выдвинули идею и разработали механизм так называемого спонтанного нарушения симметрии. Оказалось, что наличие массы у квантов слабых взаимодействий не противоречит калибровочной инвариантности. Дело в том, что калибровочная инвариантность соотносится с уравнением движения частиц, но не с их конкретным состоянием, которое возникает при переходе из неустойчивого положения в устойчивое.

Предполагается, что существуют особые, так называемые хиггсовские поля, единение с которыми приводит к спонтанному нарушению симметрии. При электромагнитных взаимодействиях части-

466

Глава 22. Философия физики

цы не связаны с хиггсовскими полями, а потому кванты взаимодействий (фотоны) – безмассовые. Частицы, участвующие в слабых взаимодействиях, непременно вступают в контакт с хиггсовским полем, поглощая бозоны Хиггса и приобретая в результате этого массу покоя. Квантами слабого взаимодействия выступают положительный и отрицательный дубльвэ-бозоны (W + ,W − ) и нейтральный зед-бозон (Z0). Все три частицы обнаружены экспериментально, причем частица Z0 была открыта последней – в 1983 г. А вот бозон Хиггса не обнаружен до сих пор. «Поиски хиггса – задача ¹ 1 физики высоких энергий» [42, c. 628].

В 1971 г. будущий нобелевский лауреат голландский физик Хоофт доказал, что теория слабых взаимодействий со спонтанным нарушением симметрии перенормируема [8]. Налицо был явный успех, который позволил наметить стратегию научного поиска в квантовой теории поля: стремиться к теориям с «хорошей» симметрией. Так называемая стандартная модель квантовой теории поля – это стратегия калибровочных полей. Что касается сильных взаимодействий, то соответствующую теорию, включающую калибровочную инвариантность, удалось развить без обращения к идее спонтанного нарушения симметрии. Квантами сильного взаимодействия являются безмассовые глюоны (всего их девять) со спином J = 1. Они осуществляют взаимодействия между кварками – частицами, обладающими дробным электрическим зарядом. Глюоны испускаются частицами c «цветовыми» зарядами, которыми обладают и они сами. Поэтому глюоны, испуская глюоны, взаимодействуют между собой. С уменьшением расстояния между кварками взаимодействие между ними уменьшается. Явление конфаймента состоит в том, что в составе ядер кварки и адроны «самозапираются», а в свободном виде они не существуют.

Объединение взаимодействий разных типов. Суперсимметрия.

Когда стала очевидной актуальность калибровочной инвариантности в составе теорий всех четырех типов взаимодействий – электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных, – возникла идея объединения нескольких типов взаимодействий. В 1967 г. С. Вайнбергу и А. Саламу удалось объединить электромагнитные и слабые взаимодействия. С 1974 г. Дж. Глэшоу и другие физики начали довольно успешно объединять сильные взаимодействия с электромаг-

467

Часть 2. Специальная философия науки

нитными и слабыми взаимодействиями. Объединение трех указанных типов взаимодействий принято называть великим объединением.

Группа симметрии для великого взаимодействия записывается в следующем виде:

SU (3)c × SU (2)w× U (1)γ ,

ãäå SU(3)c – группа симметрии сильных взаимодействий; SU(2)w – группа симметрии слабых взаимодействий; U(1)γ – группа симметрии электромагнитных взаимодействий. Группа симметрий – это определенная совокупность преобразований, которая, будучи примененной к уравнению, оставляет его инвариантным. Все указанные выше группы симметрии относятся к классу так называемых унитарных (U) преобразований, S означает «специальный». Группа симметрий электромагнитных взаимодействий U(1) выражает тот факт, что взаимодействие посредством фотонов оставляет частицы неизменными. Если, например, два электрона обмениваются фотонами, то они остаются электронами. Смысл SU(2) состоит в том, что переносчи- ки слабого взаимодействия объединяют дуплеты. В группе симметрий сильных взаимодействий SU(3)c тройка появилась в связи с тем, что кварки и глюоны обладают тремя «цветовыми зарядами»: «красным», «зеленым» и «синим».

Стремление физиков в борьбе с расходимостями, приводящими к бесконечностям, использовать с максимальной эффективностью потенциал идеи калибровочной инвариантности привел к концепции суперсимметрии, первый вариант которой был развит в СССР в 1971 г. Е.П. Лихтманом [43]. Суперсимметрия объединяет в одно семейство бозоны (частицы с нулевым и целочисленным спином) и фермионы (частицы с полуцелым спином). В суперсимметричных теориях бозоны и фермионы фигурируют парами: фотон – фотино, глюон – глюино, гравитон – гравитино. Как выяснилось, суперсимметрии тесно связаны с пространственно-временными преобразованиями. Это навело физиков на мысль увязать идею суперсимметрии с квантовой теорией гравитации, а затем, объединяя все четыре типа взаимодействий, добиться суперобъединения [44]. В квантовой теории гравитации переносчиками взаимодействий считаются гравитоны. Гравитон должен быть безмассовой частицей, в противном случае

468

Глава 22. Философия физики

тяготение не распространялось бы на большие расстояния. Если бы спин гравитона был нулевым, то световой луч не отклонялся бы в поле Солнца. Если бы спин гравитона был равен 1, то гравитационные силы не были бы силами притяжения, но отталкивания. По указанным выше соображениям, считают, что спин гравитона равен 2 [44, c. 142].

Интересное замечание по поводу гравитона сделал Л.Б. Окунь. Он отметил, что теоретики абсолютно уверены в существовании гравитона, но экспериментаторы никогда не смогут его обнаружить, ибо это возможно лишь при энергиях частиц явно им недоступных [42, c. 628]. Квантовая теория поля не лишена слабых мест, но даже в этом своем качестве она демонстрирует удивительную предсказательную силу. Не счесть частиц, которые были открыты физиками «на кон- чике пера». В наши дни они способны даже предсказать существование частицы, «которую никогда не смогут обнаружить экспериментаторы» (!). Суперсимметрия (применительно к теории гравитации она называется супергравитацией) и суперобъединение – это возможные пиковые достижения стандартной модели квантовой теории поля. Впрочем, многие теоретики склонны отказаться от стандартной модели в пользу теории струн.

Теория струн. В рамках стандартной модели квантовой теории поля многие экспериментальные данные описаны с высокой степенью точности. Квантовая электродинамика проверена до расстояний 10–17 см. Согласие в экспериментах достигается при слабых взаимодействиях до четвертой значащей цифры, а при сильных – до второй. Но стандартная модель так и не справилась с теми трудностями, которым она противостояла. В стандартной модели элементарные частицы считаются точечными. Вычисления дают для собственной энергии точечных частиц бесконечно большое значение. Перенормировка позволяет скомпенсировать бесконечные значения за счет изменения массы и заряда частиц. Но смысл такой перенормировки не ясен. Указывается также, что на малых расстояниях планковского масштаба (10–33 см) необходимо непременно учитывать гравитационные взаимодействия. Считается, что в отличие от ОТО стандартной модели физики элементарных частиц не присуща самосогласованность пространственно-временных и динамических параметров, что неизбежно приводит к непреодолимым трудностям. Таким образом, ста-

469

Часть 2. Специальная философия науки

вится задача создать теорию более эффективную, нежели стандартная модель КТП, которая расценивается как низкоэнергетический предел будущей теории [45].

Новая теория называется теорией струн, ибо элементарные ча- стицы – это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры порядка 10–33 см. Элементарные частицы больше не считаются точечными, а сугубо локальные эффекты, так часто приводящие к бесконечностям, отвергаются. Самосогласованность теории во многом обеспечивается за счет сознательной реанимации той трактовки пространства и времени, которая характерна для ОТО. В продолжение этой логики струны рассматриваются не в 4-мерном, а в многомерном пространстве – времени, число измерений которого чаще всего избирается равным десяти. Предполагается, что дополнительные измерения пространства могут проявляться в экспериментах. Такое представление вносит ясность в дискуссионные вопросы КТП, связанные, например, с пониманием иерархий частиц, значения космологической постоянной, происхождения Вселенной [46]. Довольно часто неожиданные модификации теории струн называют М-теориями (от англ. magic – магический). Как видим, теоретикам приходится проявлять чудеса изобретательности, с тем чтобы представить в концептуальной форме физику элементарных частиц.

О некоторых характеристиках четырех типов взаимодействий.

Физика изучает взаимодействия материальных объектов. В КТП особенности этих взаимодействий учитываются с максимальной тщательностью. Соотносительная сила различных типов взаимодействий зависит от энергии частиц и ряда других факторов, она меняется от одной ситуации к другой. Чтобы представить ее в более или менее отчетливой форме, подсчитывают силу взаимодействия двух протонов – а протоны, как известно, участвуют во всех типах взаимодействий – при энергии 1 ГэВ. В таком случае выясняется, что электромагнитные взаимодействия уступают сильным в 102, слабые в 1010, гравитационные в 1038 раз. Слабые взаимодействия на расстояниях, меньших 10–16 см, уже не являются слабоинтенсивными, их интенсивность резко возрастает. Поэтому считается, что длина l = 10–17 см задает некоторую границу в микромире. Еще одна граница, видимо, связана с определенностью гравитационных взаимодействий [48, c. 246].

470