Универсализация идеи развития в физической картине мира как результат революции в квантовой релятивистской физике

УНИВЕРСАЛИЗАЦИЯ ИДЕИ РАЗВИТИЯ В ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЕ МИРА КАК РЕЗУЛЬТАТ РЕВОЛЮЦИИ В КВАНТОВОЙ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ФИЗИКЕ

В первой физической теории, соединившей в себе квантовые и релятивистские принципы - квантовой электродинамике, центральным выступало понятие квантованного поля. Абстрактный объект, соответствующий этому понятию, описывался уравнениями Максвелла-Дирака и предполагал осуществление процедуры вторичного квантования. Этот объект был образован за счет заимствования идеализированных объектов квантовой механики я классической электродинамики и погружения их в новую сеть отношений, обусловленных релятивистскими эффектами. При этом использовались идеализированные допущения о точечности частиц и локальности взаимодействий. Эти допущения приводили к расходимостям при решении уравнений Максвелла-Дирака методом теории возмущений. Принцип перенормировки удалял бесконечные значения членов ряда теории возмущений благодаря приравниванию эффективных значений массы и энергии электрона экспериментально найденным их значениям. При этом из бесконечностей в ряду теории возмущений вычитаются бесконечные значения энергии и массы невзаимодействующего точечного электрона.

В физической картине мира данным теоретическим положениям соответствуют представления о динамической структуре элементарных частиц (электрона и позитрона), представляющей собой окружающую точечный электрон «шубу» виртуальных частиц, рождающихся и поглощающихся физическим вакуумом вследствие его поляризации электроном. Таким образом электрон оказывается «эффективно размазан» по определенному объему, что снимает теоретические проблемы, связанные с его точечностью.

Эти представления физической картины мира, соответствующие процедуре перенормировки, легли в основу модели физических взаимодействий. В качестве квантованных полей в ней выступают и взаимодействующие объекты (электроны и позитроны как кванты электронно-позитронного поля), и переносчики взаимодействий - фотоны как кванты электромагнитного поля. Физический вакуум - основное состояние квантованных полей - постоянно взаимодействует с его возбужденными состояниями посредством рождения и поглощения виртуальных квантов полей, энергия и время существования которых взаимно определены соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Философское истолкование способа существования виртуальных квантов полей как особого типа существования на грани возможного и действительного способствовало объединению в категориальной структуре квантовой электродинамики категориальных структур квантовой механики.

Движение физического познания световых явлений от корпускулярных представлений о природе света к волновым и полевым концепциям и корпускулярно-волновому дуализму (при введении Эйнштейном понятия фотона в начале века) считается классическим примером перехода естественнонаучного познания от тезиса к антитезису и к познавательной антиномии. В этом смысле квантовая электродинамика в понятии квантованного поля дала синтез моментов прерывности и непрерывности, ассоциируемых с понятиями частицы и поля, выступающих, однако, не в виде внешних полярностей классической физики, а как взаимопредполагающие друг друга противоположные стороны - одной сущности.

Интересно, что в содержании понятия «квантованное поле» представлен и момент взаимопревращения противоположностей, когда одно выступает инобытием другого. Так, абстрактный объект, описываемый понятием «квантованное поле», может быть представлен как система с переменным числом частиц (в релятивистской области энергий постоянно излучаются и поглощаются фотоны, рождаются и уничтожаются электронно-позитронные пары). Такая система имеет бесконечное число степеней свободы, а по определению это и есть поле. Следует подчеркнуть, что к моменту синтеза понятия частицы и поля подошли с существенным ограничением противопоставлявшихся ранее черт; в квантовой механике с частицей вещества была сопоставлена волна вероятности, а электромагнитное поле уже было проквантовано. Кроме того, следует подчеркнуть, что возможность выразить в теории единство прерывности и непрерывности открылась лишь на основе вовлечения в интертеорию еще одной пары категорий - «возможное» и «действительное», эксплицируемых с помощью понятия виртуальных частиц.

Таков был интертеоретический фон существования квантовой электродинамики в конце 40-х гг., взятый на его метатеоретическом уровне. Теоретический уровень интертеории был представлен классической электродинамикой, квантовой механикой и специальной теорией относительности, соответствующими математическими теориями. Уникальное совпадение предсказаний теории с экспериментом (в частности, объяснение расщепления линий в спектре атома водорода- «лэмбовский сдвиг»), сомнения по поводу правомерности процедуры перенормировки и неудачи попыток применения методов квантовой электродинамики для теоретического отражения других типов взаимодействий определяли интертеоретический статус электродинамики как удачной, но, возможно, противоречивой теории. Поэтому попытки создания абстрактной базисной теории квантовой релятивистской программы осуществлялись за счет элиминации одной из сторон противоречивой природы квантованного поля как центрального абстрактного объекта квантовой электродинамики. Речь шла либо об отказе от полевых представлений (аналитическая теория S-матрицы), либо о более последовательном их проведении (общие теории квантованных полей). Однако эти последовательно односторонние теоретические концепции оказались даже несопоставимыми с экспериментом, как и нелокальные теории поля, в которых автоматически удалялись расходимости, но столь же автоматически нарушался принцип причинности.

Основой новой физической исследовательской программы стала неабелева калибровочная квантовая теория поля (первый вариант был создан Ч. Янгом и Р. Миллсом в 1954 г.). Эта абстрактная теория обобщила некоторые наиболее фундаментальные принципы квантовой электродинамики, что в последующем сложном развитии позволило ей стать базисной теорией новой физической исследовательской программы. Каковы же философские основания и физический смысл основополагающих принципов построения калибровочных теорий?

Прежде всего, речь идет о принципе симметрии. Поначалу реализация этого методологического принципа осуществлялась на уровне пространственно-временных уравнений движения квантованного поля. Математически этот принцип выражается в инвариантности уравнений относительно группы пространственно-временных преобразований (группы Пуанкаре). Такого рода свойства симметрии характерны не только для полей в квантовых релятивистских теориях, но и вообще для классических релятивистских теорий поля. Пространственно-временные симметрии восходят к свойствам пространства и времени (однородность пространства и времени и изотропность пространства) и связаны согласно теореме Нетер с законами сохранения (энергии, импульса, момента количества движения).

Однако в квантовых теориях поля оказались существенными другие типы симметрии: внутренние или динамические. Они выражают свойства квантованного поля, не изменяющиеся при его движении в пространстве-времени.

Наличие симметрии, которой отвечают определенные допустимые преобразования поля, означает, что можно объединять определенные состояния полей в семейства, и в силу этого уменьшать число вводимых полей (напомним, что в квантовой теории поля каждому типу частиц и античастиц соответствует свое квантованное поле).

Самым простым и известным примером внутренней симметрии является «изотопическая симметрия». Неразличимые в рамках сильного взаимодействия протон и нейтрон выступают как различные изотопические состояния суперчастицы - нуклона, причем различие их обнаруживается только в рамках электромагнитного взаимодействия. С разрешенными принципом симметрии дискретными положениями вектора (отвечающего суперчастице) во внутреннем пространстве связаны наблюдаемые частицы. Теоретически переход от одной частицы к другой выражается преобразованием симметрии. Примером внутренних симметрий является U (3)-симметрия, отвечающая модели трех кварков.

Все симметрии, о которых шла речь, относятся к классу глобальных симметрий: если одновременно осуществить преобразования симметрии во всех точках пространства Вселенной, то в результате мы вернемся к исходному состоянию вещей. Однако такое преобразование запрещается методологическим принципом близкодействия, предполагающим, что скорость распространения преобразований не может превышать скорость света.

Последовательное применение принципа близкодействия к преобразованиям симметрии приводит к классу так называемых локальных преобразований, распространяющихся от одной точки пространства к другой. В квантовой теории поля такой процесс распространения преобразований симметрии выражается введением особого квантованного поля, переносящего квантовые числа, связанные с преобразованием симметрии. Это и есть калибровочное поле. С его введением связан принцип локальной калибровочной симметрии, относимый ко всем типам фундаментальных взаимодействий. Этот принцип объединяет принцип локальности преобразований симметрии и сохранение свойств инвариантности квантованного поля относительно преобразований группы внутренних симметрий.

Оказалось, что квантовая электродинамика и была исторически первой теорией с локальной калибровочной симметрией (произвольность выбора фазы квантованного электронно-позитронного поля). Вообще калибровочные преобразования имели место еще в классической электродинамике, где они оставляли неизменными физические характеристики поля при изменении значения некоторых параметров. Так, сила тока определяется разностью потенциалов, и поэтому, прибавляя или отнимая определенные значения потенциала, мы не меняем силы тока. Соответственно может проводиться калибровка приборов, откуда и происходит название данных преобразований.

Важность обнаружения свойства локальной калибровочной симметрии заключается в том, что достаточно исходить из этого принципа, т. е. задать определенный тип локальной калибровочной симметрии, чтобы вывести все содержание квантовой электродинамики и, собственно говоря, саму необходимость существования электромагнитного поля. Между прочим, аналогичным образом можно вывести существование гравитационного поля, приняв в качестве локальной симметрии свободу выбора любых координатных систем (как это делается на основе принципа эквивалентности в общей теории относительности, хотя там речь не шла о калибровочных преобразованиях).

Принцип локальной калибровочной инвариантности имеет важные следствия для структуры теории и ее содержания. В соответствии с теоремой Нетер каждой группе калибровочных преобразований может быть сопоставлен закон сохранения заряда как параметра, определяющего взаимодействия. Таким образом, введение групп калибровочных преобразований означает введение заряда как теоретического абстрактного объекта, а не как эмпирически определяемого параметра.

Кроме того, принцип локальной калибровочной симметрии устанавливает связь между внутренними симметриями и пространством-временем.

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) и являются переносчиками взаимодействий. Такими промежуточными векторными бозонами в квантовой электродинамике как теории электромагнитных взаимодействий являются фотоны, в квантовой хромодинамике как теории сильных взаимодействий - глюоны, а в теории электрослабых взаимодействий в качестве переносчика слабого взаимодействия выступают W ± и Z °-бозоны.

Наглядный образ поможет нам понять, как локальная калибровочная симметрия приводит к введению сил. Представим себе резиновый шарик с нанесенной на нем сеткой параллелей и меридианов (как на глобусе). Вращая его вокруг оси. мы осуществляет глобальные преобразования симметрии. Но если мы нажмем пальцем на поверхность резинового шарика, то нарушим симметрию локально, симметрия восстановится за счет компенсирующей нажим упругости резины.

Универсальность принципа локальной калибровочной симметрии позволила ему стать основой абстрактной базисной теории только после того, как универсальность эта была обобщена переходом и неабелевым калибровочным полем. Именно это обобщение позволило создать квантовую хромодинамику. На уровне математического аппарата оно выражается в переходе к некоммутирующим представлениям групп симметрии. На уровне соответствующего фрагмента картины мира неабелево обобщение связано с переходом от беззарядовых носителей взаимодействия (как фотоны в квантовой электродинамике) к таким носителям взаимодействия между зарядами, которые сами несут такой же заряд (в квантовой хромодинамике носители сильных взаимодействий - глюоны несут цветовой заряд, как и кварки, между которыми это взаимодействие осуществляется). Глюоны - это «светящийся свет», по образному выражению советского физика Л. Б. Окуня, для наглядности проводящего аналогию с электромагнитным полем.

Однако при всей важности принципа симметрии для калибровочных теорий взятый сам по себе он не приводил к успеху. Дело в том, что требование локальной калибровочной инвариантности влечет за собой вывод об отсутствии массы у промежуточных векторных бозонов, что соответствует действительности только для фотонов. Переносчики сильного и слабого взаимодействия весьма массивны. Таким образом, взятые в отдельности физические взаимодействия оказались невыводимыми из принципа симметрии. А поскольку идея симметрии всегда ассоциировалась с гармоничной простотой природы, то возникали сложные методологические и мировоззренческие проблемы применения этой идеи в теории. Вот как формулировал эти проблемы в своей нобелевской лекции С. Вайнберг: «...если принципы симметрии служат проявлением простоты природы на ее глубочайшем уровне, то каким образом может возникать такое понятие, как приближенная симметрия? Неужели природа только приближенно проста?».

В конце 50-х годов в физику элементарных частиц из физики твердого тела была перенесена идея «нарушенной симметрии», заключавшаяся в том, что «гамильтониан и коммутационные соотношения могут обладать точной симметрией, и, тем не менее, физические состояния могут не отвечать представлениям этой симметрии». В результате совместной работы Вайнбергу, Голдстоуну и Саламу удалось показать, что в случае спонтанного нарушения таких внутренних симметрий, как изоспин или странность, появляются безмассовые голдстоуновские бозоны. Однако вскоре Хиггс и др. показали, 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 па направление движения состояния векторных частиц, приобретающих т. о. массу». Однако все эти результаты рассматривались как чисто методические возможности, пока они не были применены к единому описанию электромагнитных и слабых взаимодействий Важную роль здесь сыграл принцип перенормируемости, позволявший выбрать из бесконечного разнообразия математически возможных теорий физически осмысленные и сопоставимые с экспериментом: «как только выбрано «меню» полей в теории, все детали ее полностью определяются принципами симметрии и перенормируемостью, если задать еще несколько свободных параметров».

Единая теория электромагнитных и слабых взаимодействий, развитая в конце 60-х гг. независимо С. Вайнбергом и А. Саламом, получила в 1973 г. косвенное, а в 1983 - прямое экспериментальное подтверждение.

Те же идеи локальной симметрии и ее спонтанного нарушения лежат в основе теорий «великого объединения» - единых теорий электрослабых и сильных взаимодействий. И хотя наиболее простые варианты этих теорий экспериментально не подтвердились, мировоззренческое и методологическое значение идей, лежащих в их основе, трудно переоценить.

Главное здесь заключается в том, что, принимая нынешнюю Вселенную за состояние с нарушенной симметрией, мы ставим вопрос об условиях проявления скрытых симметрий. Как показывает теория, эти условия связаны с существованием квантованных полей при значительно более высоких температурах, чем те, которые характерны для нынешнего состояния Вселенной.

Оказалось, что при сверхвысоких температурах постоянные, характеризующие интенсивность физических взаимодействий, меняют свои значения, становятся «бегущими константами». При этом константы электромагнитных и слабых взаимодействий растут, а константа, характеризующая сильное взаимодействие, убывает. Последнее обстоятельство обусловливается в теории гипотезой об асимптотической свободе кварков, выдвинутой для объяснения их ненаблюдаемости в свободном состоянии. Эта гипотеза предполагает, что сила взаимодействия кварков возрастает при их взаимном удалении и убывает при сближении. Поэтому кварки находятся в нуклоне как бы в «тюремном заключении» («конфайнмент»). Энергия, необходимая для изъятия кварка из нуклона, достаточна для рождения новых кварков, т е для образования новых нуклонов. А внутри нуклона кварк асимптотически свободен. Поэтому на достаточно малых расстояниях и соответственно при больших энергиях константа сильного взаимодействия уменьшается. Интересно, что гипотеза о принципиальной ненаблюдаемости кварков, будучи включена в теорию, имеет экспериментально наблюдаемые следствия (распад протона), так что методологическое требование принципиальной проверяемости теории (принцип наблюдаемости) здесь выполняется

При температуре 3?1015 градусов по шкале Кельвина становятся равными по интенсивности электромагнитное и слабое взаимодействие, слабые взаимодействия подчиняются тем же законам, что и электромагнитные, и различия между ними исчезают.

Исторически такие условия существовали в нашей Вселенной на самых ранних стадиях ее развития, в первой сотой доле секунды после Большого взрыва. Этот процесс нарушения симметрии в результате понижения температуры в расширяющейся Вселенной С. Вайнберг поясняет аналогией с замерзающей водой. Симметрия между электромагнитными и слабыми взаимодействиями резко нарушается при температуре ниже критической, подобно тому, как при переходе через точку замерзания молекулы воды занимают определенное положение в пространстве и нарушается симметрия между различными точками пространства, связанная с равной вероятностью нахождения в них молекул жидкой воды. Дальнейшее расширение пространства Вселенной, сопровождающееся ее остыванием, создает условия для сохранения этой нарушенной симметрии, как и других, и соответственно для сохранения ставшего многообразия фундаментальных физических взаимодействий и их носителей, послуживших генетической и структурной основой дальнейшего развертывания процессов развития материи.

Итак, процесс спонтанного нарушения симметрии, во всяком случае в контексте теории ранней Вселенной, поддается истолкованию в духе принципа развития как исходный его момент - становление. Последовательное раздвоение единого в космологических моделях, основанных на калибровочных теориях (выделение гравитационного и объединенного взаимодействия, а из последнего - сильного и электрослабого и, наконец, разделение электромагнитного и слабого взаимодействий), знаменуют процессы дифференциации материи на элементы и ее интеграции с помощью соответствующих взаимодействий в более сложные структурные образования. Как видим, речь идет о становлении Вселенной как целого, создающего себе свои части.

Поиски единой сущности элементарных частиц и их взаимодействий привели к исходному пункту их генезиса и формообразования. Физическое познание, переходя к раскрытию все более глубоких уровней сущности движения, приходит к развитию. Очевидно, этот факт истории науки является убедительным доводом в пользу той из имеющихся в марксистской философской литературе концепций соотношения движения и развития, в которой развитие рассматривается как сущность движения.

Хотя становление является лишь моментом развития (а именно становление как самопроизвольно происходящий необратимый качественный скачок представлено в физической теории в качестве фазового перехода при спонтанном нарушении симметрии), выводы теорий Великого объединения предсказывают конечность времени жизни и распад протона, т. е затрагивают и нисходящую ветвь развития Вселенной.

В любом случае в фундаментальных физических теориях, обычно инвариантных к изменению знака времени, впервые появляется необратимость, а принцип развития универсализируется в научной картине мира, захватывая не только объекты биологии, геологии, космологии, но и физики.

Таким образом, революция в квантовой релятивистской физике знаменовалась применением принципа развития к физическим объектам (напомним, что революция в физике начала века привела к пониманию развития физического познания).

Значит, новая физическая исследовательская программа оказалась программой описания развивающихся объектов. А если учесть, что в качестве такого объекта в космологических приложениях теории оказывается наша Вселенная (в известном смысле - мир), то можно представить, с какими сложными мировоззренческими и методологическими проблемами столкнулись физики и космологи.

Многие из мировоззренческих и философских проблем космологии возникают при формулировке вопросов, очерчивающих границы современного научного познания. Это предельные вопросы, сама парадоксальная форма которых («что было, когда ничего не было?», «возможно ли рождение Вселенной из ничего?») свидетельствует о том, что они задевают границы осмысленности конкретно-научных утверждений. Поскольку пределы смысла в человеческом мышлении задаются его категориальной структурой, корректная постановка и решение подобных предельных вопросов познания требуют как четкого различения содержания философских категорий и естественнонаучных понятий, так и указания на способы их связи. Так, например, существенный прогресс в понимании проблемы бесконечности Вселенной был достигнут благодаря различению понятий бесконечности материи как ее неисчерпаемости, в том числе неисчерпаемости ее пространственно-временных форм, и бесконечности Вселенной. В частности, это позволило выделить в собственно космологической проблеме бесконечности Вселенной аспекты неисчерпаемости множества миров-вселенных и аспект метрической конечности (или бесконечности) пространства времени Вселенной (в однородной и изотропной ее моделях).

В ситуации все более надежного обоснования концепции множественности миров в современной космологии чрезвычайно полезным, на наш взгляд, является философское различение понятий «мир» и «универсум», проведенное С. Б. Крымским и В. И. Кузнецовым. При этом в качестве воплощения всей полноты возможностей существования материи выступает уже не мир, а универсум. Мир же рассматривается как особое состояние материи, задержанное в своей особенности, обладающее типичными для него закономерностями в их гармоничной взаимосвязи и приводящее в своем развитии к появлению жизни и общества.

Это обстоятельство позволяет рассматривать мир как отдельное и по-новому ставить вопрос о целостности мира как физической системы. Возможность осмысленной постановки такого вопроса по отношению к миру как становящемуся целому открывается в методологии современной физики благодаря тому, что здесь осуществляется переход к новым критериям целостности систем, определяемый рассмотрением неравновесных самоорганизующихся структур. Для того чтобы корректно проанализировать те философские проблемы, которые были нами лишь бегло отмечены как моменты интертеоретического фона реализации новой физической исследовательской программы, следует вовлечь в контекст этого расстояния синергетику как исследовательскую программу теоретического освоения процессов самоорганизации.

Литература

1. Квановая физика - Ковалев И.Г. - М. 1999 г.

2. Физика - Кивалов В.В. - М. 2000 г.