Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Концепция супервзаимодействия в философии физики. Монография
.pdf
Глава III. Проблема объединения фундаментальных физических взаимодействий
многие ученые, среди которых выделялось творчество Стивена
Хокинга. С точки зрения последнего сам Большой взрыв сходен с
процессами образования черных дыр. Хокинг отмечает: «Сжатие
звезды и образование черной дыры во многих отношениях напоминает расширение Вселенной, пущенное вспять». [245, C. 183]. И
несколько ниже. «Я по-прежнему верю, что Вселенная имеет начало в реальном времени – Большой Взрыв. Но есть другой вид
времени – мнимое время. Направленное перпендикулярно к реальному, и во мнимом времени Вселенная не имеет ни начала, ни
конца. Это означает, что она могла возникнуть по законам физики» [245, C. 185]. Не буду здесь обсуждать такой сложный вопрос о
мнимом (или воображаемом) времени. В своей книге Хокинг обсуждает связь понятия «черная дыра» с понятиями «белая дыра»
и «младенец-вселенная». При этом он откровенно признается,
что «мы не знаем точно, что происходит внутри черной дыры.
Для уравнений общей теории относительности существуют решения, позволяющие упасть в черную дыру и выйти где-нибудь
в другом месте из белой дыры. Белая дыра – это пущенная вспять
черная дыра. Это объект, из которого можно выйти, но в который
нельзя попасть. Белая дыра могла бы быть где-то в другой части
Вселенной» [245, С. 167]. Все подобные рассуждения выглядят фантастически и, конечно, очень далеки до практической реализации.
При этом на основе представлений о черных дырах развертываются аргументы в защиту младенцев-вселенных.
Следуя идеям Хокинга о взаимосвязи черных дыр и мини-вселенных Дж. Лидсей развивает концепцию, согласно которой «наша
Вселенная-младенец (мини-вселенная – В.К.) имела начало в том
смысле, что она возникла, когда первоначально сформировалась
черная дыра, которая ее породила. Разумно предположить, что
наша Вселенная не существовала до черной дыры. С другой стороны, не ясно, имела ли сама глобальная вселенная определенное
начало. Если процесс самовоспроизведения не останавливается,
как только он начался, возможно, что она существовала всегда. Можно было бы доказать, что глобальная Вселенная всегда
существовала в этом самовоспроизводящемся состоянии. В принципе, глобальная Вселенная не может иметь начала» [133, С. 159].
Глобальная Вселенная (Мультиверс, Мета-Вселенная) в этом
контексте рассуждений вообще представляет собой таинствен-
121
Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики
ную реальность, ибо все экстраполяции свойств и законов из
нашей мини-Вселенной имеют смысл лишь как метафизические
предположения.
В своем послесловии к книге Дж.Э. Лидсея А.А Старобинский
пишет: «Мы не можем видеть… другие вселенные, поэтому к новым наблюдательным эффектам это приводит (или мы еще не
научились их находить – следует признать, что цельная теоретическая картина Мета-Вселенной еще не разработана). Однако с
мировоззренческой точки зрения ясно, что все горячие предыдущие дискуссии об «однократном рождении Вселенной» были
наивными. Стало ясно, что наша видимая Вселенная есть лишь
одна из возможных реализаций вселенных, которые постоянно
происходят в Мета-Вселенной в разных местах пространства (и
даже в некотором смысле в разных временах – время в других вселенных, вообще говоря, не обязано коррелировать со временем в
нашей Вселенной)» [133, С. 177]. Разумеется, я солидарен с высказанной оценкой.
Необходимо отметить, что в самой физике Большого взрыва,
в теориях суперструнной и инфляционной Вселенной в их связке
с многочисленными открытиями в области теории элементарных
частиц, попытками объединения фундаментальных взаимодействий в единую теорию и ряд других достижений явно выражена
интеграция современного физического знания. При этом физические теории стали настолько абстрагированными от реальности,
что появились совершенно абстрактные единые теоретические
модели объектов и процессов микро- и мегамиров. При этом в
определенном аспекте реализуется понимание единства современного физико-теоретического знания о космомикрофизике на
основе концепции супервзаимодействия. Философское осмысление мировоззренчески значимых вопросов, возникающих в ходе
развития научного знания, позволяет «вписать» сущность новых
открытий в науке в современную культуру.
3.2. Объединительная тенденция в познании
фундаментальных взаимодействий
Современный этап изучения проблем физики элементарных
частиц немыслим вне методологической установки о единстве
122
Глава III. Проблема объединения фундаментальных физических взаимодействий
квантовых и релятивистских представлений, что находит свою
реализацию в объединительной тенденции в физике. Философия
физики ориентируется на реальный ход исторического развития
физики и вместе с тем обладает свой спецификой.
Поскольку философское знание в силу его личностной природы не претендует на строгую научную теорию, постольку оно, как
правило, носит гипотетический характер. Вместе с тем, философия своими принципами конструирует собственную концепцию,
ориентируясь на главные результаты, достигнутые наукой. Так как
фундаментальных физических взаимодействий четыре типа, то
естественным образом возникла гипотеза возможности достигнуть
в будущем объединения всех взаимодействий (Super Unication).
В рамках научно-популярного представления философии физики
американский физик П. Дэвис предложил термин «суперсила», а я
в 1991 году ввел философский принцип «супервзаимодействия».
Почему принцип? Я уже в начале этой книги писал о том, что
философские категории (претендующие на всеобщность) фактически вводятся в культуру как принципы (начала, постулаты).
Развертывание обоснования принципа выступает как изложение
(конструирование) философской концепции с учетом достижений
современной науки. Концепция супервзаимодействия по-новому
ставит вопрос о фундаментальности так называемых фундаментальных типов физических взаимодействий. Еще в середине ХХ
века электромагнитные, слабые, сильные и гравитационные взаимодействия считались чуть ли не абсолютно фундаментальными
потому, что каждый из этих типов нельзя ни объяснить, ни вывести из существования других видов взаимодействий. Типы
фундаментальных взаимодействий различаются по величине
константы связи. Однако оказалось, что нет абсолютной неизменности констант связи, а так называемые эффективные константы
связи изменяются в зависимости от энергетических параметров.
При сверхвысоких энергиях (более 1015 ГэВ) теоретически установлена тенденция к слиянию констант связи, что является одним из
теоретических обоснований унификации всех фундаментальных
сил природы, включая гравитационные. Это позволяет на основе теоретической экстраполяции моделировать сам механизм
«расщепления» супервзаимодействия, рассмотреть дальнейшую
дивергенцию фундаментальных взаимодействий и обсуждать
123
Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики
различные сценарии эволюции Вселенной, основываясь на которых необходимо вскрыть связь между элементарными частицами,
вакуумом и гравитацией.
Обращусь к физическому и историко-научному обоснованию. Уже к концу 60-х годов ХХ века физиками были созданы и
осмыслены теории каждого из четырех фундаментальных взаимодействий: и квантовая электродинамика, и четырехфермионная
теория слабых взаимодействия, и квантовая хромодинамика, и
общая теория относительности как базовая теория гравитации
описывали каждая в своей области применимости все или почти
все экспериментальные данные. Успехи в исследовательской деятельности в 1967-1968 годах Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга и
Абдус Салама, связанные с созданием единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий (объединенно – электрослабых),
настраивали теоретиков на дальнейшие объединения. В основе
этого лежат представления, что в сверхвысоких энергиях природа
характеризуется высокой степенью симметрии. Соответственно
при меньших энергиях степень симметрии падает, и формируются
так называемые фундаментальные типы физических взаимодействий. В каком смысле они фундаментальны?
Существование фундаментальных взаимодействий должно
проявляться на уровне наиболее элементарных на сегодняшний
день (и уже тем самым наиболее фундаментальных) объектов,
существующих в объективном мире. Ныне такими истинно элементарными представляются кварки, лептоны, векторные бозоны
и гравитон, взаимодействия между которыми осуществляются посредством сил четырех типов. Это – электромагнитные, сильные,
слабые и гравитационные силы. Собственно говоря, эти силы, или
взаимодействия, являются фундаментальными постольку, поскольку их «нельзя объяснить, вывести из существования других
видов взаимодействий» [7, С. 49].
Характерной чертой, свидетельствующей о самостоятельном
существовании фундаментальных взаимодействий, является наличие качественно отличных зарядов – гравитационный заряд
(масса), электрический заряд и так называемые слабый и сильный
(барионный или цветовой) ядерные заряды. В несводимости этих
зарядов одного к другому проявляется качественная специфика
фундаментальных взаимодействий. Согласно традиционным по-
124
Глава III. Проблема объединения фундаментальных физических взаимодействий
левым представлениям, заряды той или иной природы порождают
соответствующие им поля. Квантами этих полей являются фотоны, вионы (векторные бозоны), глюоны и гравитоны.
Кроме того, сами типы фундаментальных взаимодействий
принципиально различаются по величине так называемой константы связи. Вообще говоря, безразмерные константы связи
проявляют свою изменчивость в зависимости от энергетических
и. следовательно, пространственно-временных параметров. Их
относительная величина (интенсивность) при так называемых
стандартных условиях (при энергиях 1 ГэВ) может быть представлена соответственно для сильных, электромагнитных, слабых и
гравитационных взаимодействий так: S ~ 10; E-M ~ 10-2; W ~ 10-6;
G ~ 10
-39
. Однако уже при расстояниях 10
-17
см эффективные константы связи трех взаимодействий принципиально сближаются: S
~ 1/10; W~ 1/27; E-M ~ 1/129. В этом направлении и лежит поиск
объединительных теорий, сначала теоретической модели «великого объединения», а в конечном счете – суперобъединения. В
теоретической модели «великого объединения» предполагается
возможность слияния констант связи электрослабого и сильного
взаимодействий при сверхвысоких энергиях, абсолютно недостижимых ни в земных ускорителях будущего, ни в космических лучах;
соответствующая константа связи GU ~ 1/40 , что проявляется при
энергиях 1015 ГэВ (10
-29
см) и больше.
Группа калибровочной симметрии электрослабого взаимодействия SU(2) × U(1) и ее спонтанное
нарушение нашли свое подтверждение в ряде экспериментальных
результатов. Отсюда можно сделать вывод: теория верна. Однако
говорить о том, само наличие стандартной теории электрослабого
взаимодействия доказывает существование одного типа фундаментального взаимодействия (именно: электрослабого), а не двух
(электромагнитного и слабого), было бы вряд ли обоснованным.
Ведь стандартная теория не объясняет существенной специфики
каждого из взаимодействий. В частности, нет ответа на вопросы
о сущности электрического заряда, о природе нейтрино. Поэтому
в макромире сохраняется фундаментальность обоих взаимодействий. Теория же электрослабого взаимодействия не отменила, а
углубила и обосновала теоретические модели электромагнитного
и слабого взаимодействий в микроскопической реальности.
125
Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики
В результате анализа процесса становления единой теории
электрослабого взаимодействия выявляется, что при ее формировании использовался обновленный методологический принцип
квантово-релятивистской физики. Речь идет о принципе перенормируемости, который, по свидетельству С. Вайнберга, наряду
с принципом локальной симметрии сыграл решающую роль в становлении этой теории [41, С. 201].
Принцип перенормируемости имеет свои истоки в
процедуре перенормировки, которая позволяет устранить бесконечности в решении уравнений КЭД. Переход от теоретической
процедуры перенормировки к методологическому требованию
перенормируемости произошел в рамках становления теории
электрослабого взаимодействия. (Замечу, что перенормировка
изначально рассматривалась как чисто формальная процедура,
позволяющая добиться совпадения предсказаний теории с результатами эксперимента, но нарушающая логическую стройность
теории). Расширение теоретической модели КЭД за счет включения в нее неперенормируемых моделей слабых взаимодействий,
математических и теоретико-физических доказательств перенормируемости калибровочных теорий изменило методологический
статус процедур перенормировки. Наличие таких процедур в
теории стало рассматриваться как признак ее физической осмысленности. На метатеоретическом уровне это выразилось в
формулировке принципа перенормируемости, примененного при формировании теории электрослабого взаимодействия.
Успешность этого применения послужила основанием для укрепления позиций нового методологического требования среди
других методологических регулятивов современной физики.
Другое нововведение связано с принципом локальной калибровочной симметрии, который используется при построении
современных теорий фундаментальных взаимодействий. Этот
принцип объединяет принцип локальности преобразований симметрии и сохранение свойств инвариантности квантованного поля
относительно преобразований группы внутренних симметрий.
Интересно отметить, что исторически первой теорией с локальной калибровочной симметрией была именно КЭД.
Вообще принцип локальной калибровочной инвариантности
имеет важные следствия для структуры теории и ее содержания.
126
Глава III. Проблема объединения фундаментальных физических взаимодействий
В соответствии с теоремой Нётер каждой группе калибровочных преобразований может быть сопоставлен закон сохранения
заряда как параметра, определяющего взаимодействие. Таким
образом, введение групп калибровочных преобразований
означает введение заряда как теоретического абстрактного объекта, а не как эмпирически определяемого параметра. Главное
же состоит в том, что инвариантность относительно локального преобразования требует введения в теорию компенсирующих
векторных бозонных полей (калибровочных полей). Эти поля и
их кванты – бозоны – являются переносчиками взаимодействий.
Такими промежуточными векторными бозонами в КЭД как теории электромагнитных взаимодействий являются фотоны, в
квантовой хромодинамике (КХД) как теории сильных взаимодействий – глюоны, а в теории электрослабых взаимодействий в
качестве переносчика взаимодействий выступают промежуточные векторные бозоны (вионы: W± и Zº – бозоны).
Универсальность принципа локальной калибровочной симметрии позволила ему стать основой абстрактной базисной теории
только после того, как универсальность эта была обобщена переходом к неабелевым калибровочным полям. Именно это обобщение
позволило создать КХД. На уровне соответствующего фрагмента
картины мира неабелево обобщение связано с переходом от беззарядовых носителей взаимодействия (как фотоны в КЭД) к таким
носителям взаимодействия между зарядами, которые сами несут
такой же заряд. Так, в КХД носители сильных взаимодействий –
глюоны – несут цветовой заряд, как и кварки, между которыми это
взаимодействие осуществляется. Именно это дает возможность
говорить о глюонах как о «светящемся свете» (Л.Б. Окунь).
Идеи локальной калибровочной симметрии и ее спонтанного нарушения лежат в основе теоретических моделей «великого
объединения» – единых теорий электрослабого и сильного взаимодействий. И хотя пока нет окончательного экспериментального
их подтверждения, мировоззренческое и методологическое значение идей, лежащих в их основе, трудно переоценить. В модели
«великого объединения» предполагается возможность слияния
констант связи электрослабого и сильного взаимодействий при
сверхвысоких энергиях, абсолютно недостижимых ни в земных
ускорителях будущего, ни в космических лучах. По современным
127
Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики
космологическим представлениям такие энергии могли иметь место на очень ранних стадиях расширения (раздувания) Вселенной.
Константа связи «великого объединения» αGU 1/40, что соответствует энергиям 10
15
ГэВ (10
-29
см) и больше. В качестве группы
симметрии «великого объединения» Х. Джорджи и Ш. Глэшоу
предложили в 1974 году группу SU(5), содержащую как подгруппу
произведение SU(3) × SU(2) × U(1) [170, С. 92]. С учетом сказанного
выше, следует подчеркнуть, что поскольку объединенное описание
взаимодействий отражает то общее, что свойственно взаимодействиям всех типов, но не вскрывает их существенной специфики,
постольку на вопрос: сколько фундаментальных взаимодействий
существует в природе? – мы и сейчас отвечаем: известны четыре
типа.
В каком смысле можно говорить о существенной специфике
каждого из типов взаимодействий? Скажем, теория сильных взаимодействий – КХД – свидетельствует одновременно как о красоте
описания кварков, глюонов и других сильно-взаимодействующих
частиц, так и, по существу, о бессилии теории объяснить природу этих частиц, саму гипотезу так называемого конфайнмента
(пленения кварков, невозможность их существования в «свободном виде»). В этой связи выдвинута гипотеза об асимптотической
свободе кварков, согласно которой внутри нуклона сила взаимодействия кварков возрастает при их взаимном удалении и убывает
при их сближении. Такой описательный характер нынешней теории кварков [113; С. 246] позволяет высказать предположение,
что более полное понимание природы сильных взаимодействий
существенно скажется на решении проблемы единства всех типов
взаимодействий и, наоборот, серьезное продвижение в решении
проблемы единства поможет более глубокому пониманию природы сильных взаимодействий.
Развитие современной физики, с одной стороны, свидетельствует о во многом полуфеноменологическом характере нынешних
попыток создать модели грандобъединения (объединения трех
типов взаимодействий) и даже суперобъединения (включая и гравитационные взаимодействия), но, с другой стороны, выражает
теоретические стремления выявить связь между элементарными частицами, вакуумом и гравитацией [94, С. 499]. Выдвигая в
этой связи программу синтеза квантовых и релятивистских пред-
128
Глава III. Проблема объединения фундаментальных физических взаимодействий
ставлений, группа известных зарубежных физиков во главе с Дж.
Уилером подчеркивает, что при этом «самое раннее указание
должно исходить из философского и вместе с тем плодотворного
принципа, полный смысл которого и все его следствия, возможно, суждено понять лишь впоследствии» [149, С. 479]. Думается,
с немалыми основаниями на роль такого принципа может претендовать принцип единства и многообразия материальных
взаимодействий и его конкретизация в физическом познании до
необходимости выявления специфики каждого и единства всех
типов фундаментальных взаимодействий.
Следует подчеркнуть, что взятые в отдельности физические
взаимодействия оказались невыводимыми из принципа симметрии. А поскольку идея симметрии всегда ассоциировалась с
гармоничной простотой природы, то возникали специфические
методологические проблемы применения этой идеи в теории. Суть
этих проблем в своей нобелевской лекции С. Вайнберг сформулировал так: «… если принципы симметрии служат проявлением
простоты природы на её глубочайшем уровне, то каким образом
может возникать такое понятие, как приближенная симметрия?
Неужели природа только приближенно проста?» [41, С. 216]. В результате дальнейших исследований С. Вайнбергу, Дж. Голдстоуну
и А. Саламу удалось показать, что в случае спонтанного нарушения таких симметрий, как изоспин или странность, появляются
безмассовые голдстоуновские бозоны. В свою очередь, П. Хиггс
показал, что если нарушенная симметрия выступает локальной
калибровочной, то голдстоуновские бозоны могут быть устранены
калибровочным преобразованием и «поэтому они не появляются
в виде настоящих физических частиц. Вместо этого пропавшие
голдстоуновские бозоны проявляются как обладающие нулевой
проекцией спина на направление движения состояния векторных частиц, приобретающих таким образом массу» [41, С. 216].
Все эти результаты первоначально рассматривались как чисто теоретические умозрительные построения. Однако затем они были
применены к единому описанию электромагнитных и слабых
взаимодействий, а после экспериментального открытия бозона
Хиггса все стало более ясным.
Действительно, само развитие современной космологии,
физики элементарных частиц, попытки понять проблему возник-
129
Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики
новения Вселенной – все это требует и дальше принципиально
нового мировоззренческого переосмысления. Развитие физики
убеждает в необходимости специально-научной конкретизации
философских принципов единства мира, развития и детерминизма с учетом все более выявляемой системности фундаментальных
взаимодействий, а также в связи с исследованиями процессов самоорганизации в природе.
Возвращаясь к вопросу о возможностях объединительных
теорий, следует отметить, что основным каналом создания соответствующих теоретических моделей является физика высоких
энергий. Современное состояние физики высоких энергий как
теории взаимодействий элементарных частиц основано на представлениях теории поля с локальным характером взаимодействия.
Это означает, что взаимодействие материальных объектов объясняется тем, что каждый из них создает вокруг себя поле, с которым
в любой точке могут взаимодействовать другие материальные образования. Но физики предпринимают усилия к необходимости
анализировать и современные проблемы квантовой теории нелокальных взаимодействий [87].
Важно подчеркнуть, что объединенное описание всех
четырех типов фундаментальных взаимодействий [93,
С. 15-30] основывается на теории расслоенных пространств с базой – 4-мерным пространственно-временным континуумом.
Какова природа этого континуума? Является ли он пространством-временем Минковского или 4-мерным пространством
Римана? Наконец, самое главное: какое из этих пространств адекватно представляет в теории реальные пространство и время?
Ответ на эти вопросы зависит от решения вопроса о проявлении
свойств гравитационных взаимодействий в свойствах реального пространства и времени. Как известно, большинство физиков
считают общую теорию относительности (ОТО) той фундаментальной теорией, в формализме которой гравитационное поле
описывается искривленным 4-мерным пространством-временем Римана. Характеристикой гравитации в теории Эйнштейна
является тензор кривизны. При этом Эйнштейн в статье «О космологической структуре пространства» так разъясняет свою
позицию: «Согласно общей теории относительности, метрические
свойства пространства-времени причинно не зависят от того, чем
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]