Рассматривая историю физики, легко можно заметить две тенденции. Эти тенденции не являются присущими только физике. С большой степенью вероятности можно утверждать, что эти тенденции присущи научному знанию вообще. Однако в теоретической физике, которую многие считают образцом науки, они проявляются наиболее рельефно. С одной стороны с ростом знаний происходит увеличение специализации, т.ч. специалистам из смежных областей бывает трудно понять друг друга. При этом если в предыдущие века ученые были также частично философами, то в этих частных специализациях от философии остается очень мало. Однако на основе современных достижений теоретической физики можно сделать вывод, что философия не уходит из науки вообще, а остается в некоторых из ее направлений. Эти направления выступают как передовые и задают общие парадигмы научного исследования в данную эпоху. Они в основном совпадают со второй тенденцией, - тенденцией к объединению научного знания. Как это предсказывалось многими философами, данная тенденция в современной науке неразрывна с тенденцией к первоначалам, первоосновам и первопричинам мира. [1],[2а],[3a]. Предполагается, что так называемое Великое объединение, реально существовало или могло происходить в первые моменты возникновения Вселенной /это время по разным расчетам от 10*-32 до секунды/ [4],[5],[6]. Хотя можно ограничиться рассмотрением только современного состояния физики, однако при этом можно упустить важные моменты становления теорий [7],[8]. Поэтому для генерации новых идей и с целью избегания повторения ошибок важно знать исторические развития этих идей в трудах философов прошлого. Поскольку в данной короткой работе невозможно охватить все проблемы в их становлении, то в данном реферате сознательно предполагается ограничиться одной центральной темой, связанной с проблемой единства знания (построение единой теории поля, происхождение Вселенной).
2 ФИЗИЧЕСКОЕ И ФИЛОСОФСКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ НАЧЕНИЕ ИДЕИ ЕДИНСТВА ПРИРОДЫ
Интерес к данной тематике заключается в глубинной природе самого научного знания. Знание выступает тем ядром, из которого вырастает наука в качестве социального института. Идея о единстве природы имеет большое значение, как фактор, позволяющий делать отбор существующим теориям, несет антиинструменталистский, антипозитивистский оттенок [3a],[9a]. Сама тенденция к единству науки выступает в качестве одного из методологических принципов, регулирующих развитие научной мысли и способствующих становлению и систематизации научных теорий [3a]. Стремление к поискам единства науки провозглашалось позитивистами Р.Карнаппом и О.Нейбрайтом в качестве важнейшей задачи современного методологического анализа науки [3b]. Западногерманский физик-теоретик К.Вайцзеккер, подвергал критике воззрения эмпиризма, стремящегося усмотреть единство науки в унификации эмпирического языка [3c]. Не случайно антиинструментализм Эйнштейна выражался в толковании самого смысла науки, ее основных целей. В качестве одного из основных мотивов научной деятельности Эйнштейн называл " жажду более глубокого познания", "стремление вскрыть более глубокие черты внешнего мира" [10] . В преодолении "хаоса" многообразий знаний удается достичь рационального понимания самого исследуемого фрагмента реальности. Так, создавая теорию, которая объединила электричество и магнетизм, Максвелл тем самым открыл путь к новому пониманию того аспекта физической реальности, который представлен в его теории [7a][9b]. А.Эйнштейн подчеркивал, что познаваемость мира обусловлена не субъективным фактором, но скрывает за собой объективный фактор - закономерность, рациональность, "существенную упорядоченность" объективного мира [9b]. В подобной объективной упорядоченности исследуемого мира и в возможности выразить эту упорядоченность на языке наших теорий Эйнштейн видел некое "чудо" мироздания. Но даже если бы это было не так, то Эйнштейн считал, что "без веры во внутреннюю гармонию нашего мира, не могло бы быть никакой науки. Эта вера есть и всегда остается основным мотивом научного творчества" [10]. Из общей рациональной установки науки в рациональное устройство мира следует вера в ее познаваемость, объективность, а из веры в объективность и познаваемость следует вера в единство научного знания [9c]. . _22.
3.СТАНОВЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ ЕДИНСТВА ПРИРОДЫ
По мнению Овчинникова идея о единстве природы "есть первая научная идея" [3c]. До этого почти каждое явление природы было персонифицировано своим конкретным богом. В Библии с самого начала находится идея сотворения единой природы из ничего. У первых философов в первопричинах природы лежит какая-либо одна сущность: вода (Фалес), огонь (Гераклит), число (пифагорейцы), атом (Демокрит) и т.д. Еще древние мудрецы ставили способность упорядочения, как одну из основных черт мудрости. Позже Аристотель саму мудрость рассматривал как науку о причинах и началах [1]. Почти на протяжении тысячелетия идея единства становится основным положением неоплатонизма: высшее и абсолютное начало - единое - посредством эманации порождает многоступенчатый мир бытия [11а]. "Что же такое единое? Потенция всех вещей... Поэтому везде происходит сведение к единому... Также и все сводится к единому, которое раньше его..."( Плотин ) [11b ]. Эта идея была подхвачена в Ареопагиках "Ибо богословие приписывает всепричине одновременно вообще все (свойства), славя ее как единое.." [11c]. После недолгого забвения философия получила развитие этой идеи в трудах Ибн-Гебироля: "Чем больше единство приближается к первому истинному единству, тем более едина и проста материя, представленная в нем, и, наоборот, чем оно дальше от первого единства, тем оно множественное и сложнее."[11d].У истоков классической науки идея построения единого знания, объединяющего все специальные области, сыграла решающую роль в формировании новых научных идей. Наиболее отчетливо эту установку на построение единой науки выразил Декарт [3]. По мысли Овчинникова [3d] в это время можно выделить три программы построения единого знания: 1) построение единой теории полагается возможным; 2) построение единой теории, как методологический прием, позволяющий генерировать новое знание; 3) построение единой теории возможно, однако это будет только математическая модель, т.к. сама реальность остается "вещью в себе" (Кант). Лейбниц видел в математике как-бы опытный полигон для изучения возможностей построения общей науки. Математика для Лейбница, а также Галилея, Дирака и др., - это не просто особого рода наука ,но своеобразный язык, на котором можно говорить и описывать научные идеи. В ХIХ веке всесторонняя критика идеи сведения всех законов природы к механике подорвала надежду на объединение знания в единую систему. Продолжавшийся процесс дифференциации никак не способствовал возрождению этих надежд. Однако по мнению Овчинникова сквозь процессы расчленения и разрыва непрестанно выявлялась, как бы просвечивая через разнообразие явлений, мысль о единстве научного знания [5c] . Так у О.Нейрата и Р.Карнаппа стремление представить язык в качестве главного объекта философских исследований привело к мысли о том, что существует универсальный язык науки. Язык наиболее развитой науки ХХ века - теоретической физики - представлялся им универсальным языком научного знания вообще. После построения квантовой механики, теории относительности и других современных теорий физики пришли к выводу, что старая идея редукционистов о том, что вселенная это просто сумма своих частей, должна быть полностью отвергнута [2b]. .
3. ВОЗНИКНОВЕНИЕ НОВОЙ ФИЗИКИ И ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ПОСТРОЕНИИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ТЕОРИЙ ОБЪЕДИНЕНИЯ И ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
По мнению П.Девиса впервые за всю историю человечество располагает разумной теорией всего сущего [2c]. Тон задают две новые концептуальные схемы: так называемая Теория великого объединения (ТВО) и суперсимметрия. Эти научные направления совместно приводят к привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчиняется действию некой суперсилы, однако в нашем "низкоенергетическом" мире эта сила проявляется в виде электромагнитной, слабой, сильной и гравитационной силах. Суперсила -нечто большее, чем просто создающее начало. В ней материя, пространство-время слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто не предполагал. Идея о единстве природы, основанное на понятии суперсилы можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна по объединению гравитации и электромагнетизма. Несмотря на временную неудачу, некоторые физики верили, что " именно опыты с элементарными частицами, выполненные в связи с квантовой теорией, содержат очень много аргументов в пользу программы Эйнштейна. Удовлетворительная теория элементарных частиц должна быть по сути дела единой теорией поля" (Гайзенберг). Более столетия до этого Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм это тесно связанные явления. Обобщением этой теории стала созданная Фейнманом, Швингером, Дираком и др. в середине ХХ столетия квантовой электродинамики. Поскольку в данной теории было достигнуто наибольшее согласие теории и эксперимента (некоторые процессы с точностью до 8-12 знаков после запятой), то она была взята за образец научной теории для построения единого знания. Однако дальнейшее продвижение на пути к созданию единой теории поля произошло только в конце 60-х годов , когда С.Вайнбергом и А.Саламом было показано, что математически квантовую теорию электромагнетизма можно объединить с так называемым слабым взаимодействием[12]. Данная теория, а также созданная в конце 1970-х квантовая хромодинамика радикально изменили всю картину физики элементарных частиц. Её основой стали калибровочные симметрии: электрослабая . SU(2)xU(1) и цветовая SU(3)c. Симметрия - одно из фундаментальных свойств природы. Последние открытия позволяют предположить, что симметрия является самым фундаментальным свойством, позволяющим физикам-теоретикам делать правильные предсказания даже без привлечения дорогостоящих экспериментов. С симметриями связаны все известные законы сохранения. Калибровочные симметрии связаны с сохранениями при калибровке: изменении отсчета уровня, масштаба, значения калибровочной величины и др. Калибровочные симметрии бывают глобальные и локальные. Электромогнитизм - пример глобальной симметрии. Эта симметрия ответственна за точное сохранение электрического заряда. Она заключается в инвариантности работы по перемещению заряда от напряжения. Работа зависит только от разности потенциалов между начальным и конечным значением заряда. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными. Гравитационное поле дает пример локальной симметрии: законы физики можно сделать инвариантными даже относительно локальных калибровочных преобразований, если ввести гравитационное поле для компенсации изменений от точки к точке. В квантовом описании калибровочные преобразования связывают с фазой квантовой волны, описывающей частицу. Калибровочные симметрии определяют динамику фундаментальных физических процессов, ключевую роль в которой играют компенсирующие калибровочные векторные бозоны (частицы со спином 1). Было предложено несколько десятков модификаций модели Вайнберга-Салама, но оказалось, что исходная структура модели пока ближе к природе, чем ее многочисленные усовершенствования. В связи с этим модель Вайнберга-Салама вместе с квантовой хромодинамикой стали называть минимальной стандартной моделью (МСМ). Важным свойством модели является то, что модель нетрудно изменить, введя в нее дополнительные промежуточные бозоны и (или) новые лептоны (сверх _7t _0,t-кварка и _7n_0-_7t_0), не изменяя при этом идей, лежащих в основе модели. Количество данных частиц должно быть по идее фиксироваться какой-то более высокой моделью, например ТВО. В теории Вайнберга-Салама поля обладают фундаментальной симметрией, но не могут нормально существовоть в этом состоянии c данной симметрией (вакууме), т.к. это состояние (вакуум) неустойчиво. Поэтому поле "выбирает" устойчивое состояние в котором симметрия нарушена, а частицы-переносчики слабого взаимодействия обладают массой. Для реализации данного выбора, который называется спонтанным нарушением симметрии, необходимо ввести новые скалярные поля, т.н. поля Хиггса. Благодаря калибровочной инвариантности лагранжиана МСМ можно привести его к новому вакууму, где бозоны (кроме фотона), которые первоначально были безмассовыми, имеют массу. При этом некоторые частицы Хиггса сливаются с W- и Z-бозонами. Спонтанное нарушение симметрии не является произволом теоретиков. Дело в том, что калибровочные поля по своей природе дальнодействующие. Однако слабое взаимодействие существует на очень малых расстояниях, и частицы-переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу. Если в теории W+, W-и Z-частицам просто приписать какую-нибудь массу, то калибровочная инвариантность нарушится. Построение перенормируемой теории слабого взаимодействия невозможно без включения в теорию фотонов. Это связано с тем, что электромагнитное взаимодействие массивных векторных бозонов, вообще говоря, неперенормируемо. Его можно сделать перенормируемым, если фотон и промежуточные векторные бозоны ввести в теорию на равной основе как калибровочные поля, а затем с помощью спонтанного нарушения симметрии дать массы промежуточным бозонам, оставив фотон безмассовым (последнее отвечает строгому сохранению электрического заряда). Решающее значение для исключения бесконечностей (перенормируемость) имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории. Как будет показано ниже, в теориях с максимально высокой симметрией (так называемые суперсимметричные теории) происходит феноменально большое сокращение бесконечностей. Оказалось, что в общем случае модель является перенормируемой, если она имеет безразмерную эффективную константу связи. В модели Вайнберга-Салама слабые и электромагнитные взаимодействия характеризуются одним и тем же зарядом е. Это является наиболее ярким выражением того, что стандартная модель электрослабого взаимодействия является единой теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. То, что в модели имеется свободный параметр _7Qw_0, который теоретически не фиксируется и не предсказывается, означает, что единая теория пока что не завершена. Этого произвола можно избежать, если потребовать, чтобы калибровочные группы стандартной модели были подгруппами какой-то более обширной группы. Недостаткам или достоинством теории является наличие невычисляемой константы _7f_0e, которая характеризует не только массу электрона, но и его взаимодействие с полем хиггсовых скалярных мезонов. В результате данные мезоны тем сильнее взаимодействуют с другими частицами, чем больше массы этих частиц. По мнению некоторых физиков это могло бы быть ключом к разгадке внутренней природы массы. Если бы не различия во взаимодействии различных кварков с хиггсовыми бозонами, мы имели бы в природе SU(N)- инвариантность сильных взаимодействий (N-полное число кварковых "ароматов"). Однако хиггсовы мезоны пока не обнаружены, возможно это связано с их большой массой и редкостью во вселенной. В связи с этим привлекают внимание теории аналогичные модели Вайнберга-Салама, однако без хиггсовых мезонов. Необходимо однако отметить поразительные успехи модели Вайнберга-Салама. В частности ими были предсказаны нейтральные токи, массы W и Z бозонов, открытые затем экспериментально и др. В начале 80-х возникла модель "техницвета". Согласно этой модели хиггсовы бозоны являются очень тяжелыми (mH~1Тэв) и составными частицами. Они построины из так называемых "техникварков", взаимодействующих между собой посредством обмена "техниглюонами" [13]. В последнее время для описания динамики связанных состояний была предложена низкоэнергетическая так называемая сигма модель, дающая низкоенергетическое описание связанных состояний калибровочной модели Намбу-Йона-Лазино (НИЛ) [14] c динамическим нарушением киральной симметрии. Эта модель представляет особый интерес, поскольку она лежит в основе различных сценариев динамического нарушения электрослабой симметрии: техницвета с медленно меняющейся константой связи, расширенного техницвета с сильной константой связи и, наконец, стандартная модель без хиггсовских бозонов, реализующая идею нарушения электрослабой симметрии через образование конденсата t-кварков. Последняя модель является возможной, т.к. масса t-кварка (который пока достоверно не зафиксирован, однако имеются веские указания в пользу его существования) как и у хиггсовского бозона предполагается достаточно большой. В развиваемых с конца 70-х суперсимметричных схемах все элементарные частицы (включая гравитон) входят в один супермультиплет и их взаимодействия определяются одной безразмерной константой[15],[16]. С этой точки зрения кажется естественным, что число хиггсовских частиц, если они существуют не минимально, а их . спектр масс весьма широк. Большое число хиггсовых бозонов содержат и так называемые модели великого синтеза (или ТВО), которые пытаются объединить слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия (без гравитации)[17]. Такое объединение оказывается возможным, поскольку эффективные константы связи этих взаимодействий , зависящие в силу поляризации вакуума от переданного импульса, обнаруживают тенденцию к сближению по мере роста переданного импульса. Согласно идее великого объединения на малых расстояниях все три взаимодействия характеризуются одной константой связи. Модели великого синтеза дают объяснение того, почему кварки имеют дробные заряды, предсказывают значение угла Вайнберга _7Qw _0и, что особенно интересно, предсказывают качественно новое явление: нестабильность протона, существование монополя Дирака и инстантонов. Следует однако отметить, что реальные ускорители пока далеки от энергий при которых предсказывается существование единой константы связи. Некоторое представление о столь высокоэнергетической физике могут пока дать только естественные космические лучи. Однако при их регистрации происходит значительная потеря точности. При построении теоретических моделей великого синтеза помещают все лептоны и кварки в один фундаментальный мультиплет некоторой группы, калибруют соответствующую симметрию, а затем ее спонтанно (не динамически) нарушают. При этом образуется большое количество промежуточных и хиггсовых бозонов, что многие считают недостатком теории. Создавая Великое объединение трех взаимодействий, ТВО существенно уменьшает число произвольных параметров, используемых для описания природы. ТВО берется объяснить почему электрические заряды всегда кратны одной и той же фундаментальной единице. Если принять заряд электрона за -1, а заряд протона за +1, то наименьший из возможных зарядов,-1/3 имеет d-кварк. Жесткие правила отбора допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим семействам , члены которых могут обмениваться частицами-переносчиками взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда. Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной теории и масштаб объединения, столь далекий, что если не произойдет коренной революции в технологии, то вряд ли эта теория когда-нибудь будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Для ответа на этот вопрос возможно использовать косвенные проверки, основанные но предсказаниях ТВО. Наиболее известные из них это распад протона и существование магнитных зарядов отдельно от электрических, т.н.магнитных монополей. Предсказываемое теорией точное значение среднего времени жизни протона зависит от выбранного варианта ТВО, но в большинстве теорий, в том числе в простейшей из них (известной под названием минимальной SU(5)), это время оценивалось примерно в 10_531 _0 лет. Достигнутое экспериментально значение очень близко к этой цифре, если не превосходит ее. Это значит, что либо реализуются другие сценарии объединения, либо надо в корне изменить подход к построению ТВО, либо, в крайнем случае, Великое объединение это только красивая мечта. Другим косвенным подтверждением ТВО стало бы обнаружение магнитного монополя. В 1975 г. 'т Хоофт и А.Поляков обнаружили, что магнитные монополи с той или иной степенью неизбежности предсказываются ТВО. При этом масса монополя должна превышать массу, характерную для объединения, т.е. составлять почти 10_516 масс протона (~масса амебы). Монополи должны обладать сложной внутренней структурой луковичного типа, состоящей из силовых зон. По теоретическим расчетам из космического пространства ежегодно на каждый квадратный метр поверхности Земли должно выпадать около 200 монополей. Поскольку этого не происходит, то теоретики называют эту конфликтную ситуацию проблемой монополя. Кроме того, критику существующих ТВО вызывают и внутренние противоречия, присущие квантовой хромодинамике в настоящее время. Например, если исходить из чистой квантовой хромодинамики, то должны быть отклонения от так называемой стандартной партонной модели. В частности, из-за испускания тормозных глюонов должны возрасти поперечные импульсы аннигилирующих кварка и антикварка и, следовательно, поперечные импульсы рождения W-бозонов. Однако, как представлено в совмесном докладе ЦЕРН и ОИЯИ, квантовая хромодинамика модифицированная по партонной модели является в настоящее время единственным претендентом на роль теории сильных взаимодействий [18]. В рамках ОТО возможно существование "мира" и "антимира" [19]. Также в лабораторных условиях возникновение вещества всегда сопровождается рождением антивещества, и симметрия между ними, по-видимому, заложена в законах физики. Однако, основываясь на . наблюдениях Вселенной, большинство космологов считают, что она построена в основном из вещества, и эта ассиметрия была заложена в самые ранние этапы ее эволюции. Вначале предполагалось, что ассиметрия присуща Вселенной с самого начала, т.е. уже в процессе Большого взрыва была диспропорция между веществом и антивеществом. Но такие объяснения, основанные на искусственно подобранных начальных условиях, нельзя считать научными. Более естественно предполагать изначально полную симметрию между веществом и антивеществом. Такое состояние является единственным. Для осуществления этой идеи должен существовать механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом, считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения . Согласно этим теориям важнейшими составляющими ранней Вселенной были сверхмассивные части - переносчики взаимодействия в ТВО , так называемые X-частицы. При распаде Х-частиц происходит преобладание вещества над антивеществом. Однако в силу полной симметрии ранней Вселенной должно было также существовать равное количество антиХ-частиц. При распаде антиХ-частиц также происходит преобладание вещества над антивеществом. Это связано с экспериментально обнаруженным фактом, что частицы и античастицы нарушают зеркальную симметрию не противоположно и не в равной степени. По оценкам ассиметрия между веществом и антивеществом такова, что примерно на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезло. В результате аннигиляции возникло около миллиарда гамма-квантов на каждый уцелевший электрон или протон [20].Таким образом ТВО позволяет объяснить еще один произвольный параметр-температуру фонового космического излучения. Несмотря на все успехи ТВО, лишь немногие физики считают, что это последнее слово науки, т. к. ТВО преуспели в объединении лишь трех из четырех фундаментальных взаимодействий. Долгое время считалось , что гравитация это "белая ворона" среди других сил природы. Много сил было потрачено для раскрытия физико-философского содержания и связей между понятиями пространства- времени и материи [21]. В последнее время в связи с предполагаемой регистрацией в системе двойных пульсаров гравитационных волн [22] физики получили дополнительное свидетельство, что гравитация также является калибровочным полем. Однако задолго до этого было показано, что ее описание на языке обмена гравитонами (квантами гравитационного взаимодействия) дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Как и в случае квантовой хромодинамики трудности возникают из-за бесконечностей, которые возникают всякий раз, когда встречаются замкнутые гравитационные петли. Ситуация здесь напоминает положение дел со слабым взаимодействием до его объединения с электромагнетизмом. Обе теории "неперенормируемы". В случае слабого взаимодействия причина была в симметрии: стоило в теорию ввести более мощную симметрию, как все расходимости исчезли. По аналогии ученые принялись за поиски новой симметрии, более широкой, чем ранее известные, которая избавила бы гравитацию от неперенормируемости. Так возникла идея суперсимметрии. Суперсимметрией называют такую симметрию, которая связывает между собой частицы с целым и полуцелым спином, образующие супермультиплеты. При суперсимметричных преобразованиях бозоны переходят в фермионы, а фермионы - в бозоны. В реальном мире невозможно проделать такую операцию , однако ее можно сформулировать математически и можно построить теории, включающие суперсимметрию. Гравитацию, представляющую собой в чистом виде геометрию искривленного пространства-времени, можно естественным образом выразить на языке суперсимметрии. Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. Из-за требования суперсимметрии гравитон не может существовать отдельно. Он должен принадлежать целому семейству частиц, связанных со спином 2 операцией суперсимметрии и также являющимися переносчиками гравитационного взаимодействия. К числу таких частиц относятся частицы со спином 0,1/2,1 и 3/2. Элементарные частицы со спином 3/2(названные "гравитино")не известны, поэтому их обнаружение стало бы веским фак- том в пользу суперсимметрии. Детальная структура этого семейства зависит от математического представления суперсимметрии, которому теоретик отдает предпочтение. Однако недостатком всех теорий является большое число неизвестных частиц. "Минимальная" супергравитация SU(8) содержит 70 частиц со спином 0, 56-со спином 1/2, 28- со спином 1 ,8-со спином 3/2 и единственный гравитон со спином 2. Если бы удалось отождествить все эти частицы с известными в природе, то человечество имело бы единую теорию природы, в рамках которой весь мир . управляется единственной верховной суперсилой, предстающей перед нами различными гранями: то как сильное взаимодействие, то как гравитационное и т. д., но все эти грани связаны между собой суперсимметрией. В действительности супергравитация дает еще больше. Она дает единое описание взаимодействия и вещества. В основе как взаимодействия, так и вещества лежат квантовые частицы, причем фотоны, W- и Z-частицы, а также глюоны относятся к бозонам, тогда как кварки и лептоны относятся к фермионам. В суперсимметрии все они объединены. Подобно тому как гравитон сопровождается гравитино, переносчики других фундаментальных взаимодействий сопровождаются новыми частицами, получившими название фотино, вино, зино и глюи- но. Эти частицы порождают расходимости противоположного знака по сравнению с частицами другой статистики. В результате бесконечности полностью суперсимметризуют друг друга. Уверенность в благополучном исходе исследований в некоторых кругах ученых настолько сильна, что руководитель знаменитой люкасовской кафедры, которую занимали Ньютон и Дирак, Стивен Хокинг видит в супергравитации кульминацию теоретической физики. Действительно , эта теория в принципе способна "объяснить" все, с чем имеет дело физика,- всем взаимодействиям и всем частицам. Если Хокинг прав, то супергравитация принципиально отличается от про- чих физических теорий. До сих пор физические теории рассматривались лишь как модели, которые приближенно описывают реальность. По мере усовершенствования моделей согласие теорий с реальностью улучшалось. Некоторые физики теперь утверждают, что супергравитация и есть сама реальность, что эта модель должна идеально согласовываться с реальным миром. Несмотря на такой оптимизм многие положения единой теории поля противоречат нашим привычным представлениям о реальности. Так оказалось, что для реализации идеи суперсимметрии (во всяком случае на до последнего времени) требуется пространство минимум в одиннадцать измерений. Как известно, наличие абстрактных симметрий калибровочных полей, которое придает им утонченность и открывает возможности для объединения достаточно определенно указывает на проявление некоторой скрытой геометрии. В супергравитации симметрии калибровочных полей приобретают конкретность - это геометрические сим- метрии, связанные с дополнительными измерениями пространства. Как . и в общей теорией относительности в супергравитации взаимодействие является искривлением пространства-времени. Однако поскольку теперь необходимо описать четыре взаимодействия, приходится вводить дополнительные измерения. Простой подсчет количества операций симметрии, входящих в ТВО, приводит к теории с семью дополнительными пространственными измерениями. При этом предполагается, что эти дополнительные измерения каким-то образом свернуты (компактифицированы) в столь малых масштабах, что это пока остается незаметным. В поисках причин спонтанной компактификации семи измерений обычно исходят из того, что физические системы всегда стремятся к состоянию с наименьшей энергией. Вместе с тем можно допустить, что 7-компактификация (в этом случае наиболее привлекательным является вариант слегка сплюсну- той 7-сферы, воспроизводящей основные калибровочные симметрии) - лишь одна из возможных компактификаций. Можно предположить, что где-то за пределами наблюдаемой Вселенной пространство имеет другое количество измерений. Однако как оказалось в пространствах с иным количеством измерений существование жизни было бы сомнительным. Если бы гравитационное поле Солнца действовало на планеты, например, по закону "обратных кубов" (что неизбежно должно произойти в пятимерном пространстве-времени), то планеты довольно быстро упали бы на Солнце и т. д. При этом происходит подход к вопросу философского плана, т. к. оказывается, что живые организмы имеют чрезвычайно тонкую организацию и их существование и возможности познания, по- видимому, критически зависят от единственного гармонического сочетания взаимодействий и масштабов, которое характерно для нашей Вселенной. Это так называемый антропный принцип сформулированный К.Циолковским, Г.М Идлисом, А.Зельмановым, Д.Уилером и др. Как представляется может существовать три объяснения реализации столь маловероятного комплекса условий. Одно состоит в том, что вселенная прошла через бесчисленное множество последовательных циклов расширения и сжатия, в начале каждого из которых складывался свой набор физических констант, изменявшийся от цикла к циклу. И человечество появилось на свет в том цикле, в котором сформировалось сочетание физических констант и других свойств, благоприятное для образования сложных структур и живых систем. О второй возможности говорилось выше. Она состоит в том, что существует бесчисленное множество различных Вселенных, для каждой из которых характерен свой комплекс физических констант и свойств. Третий вариант предполагает наличие некоего разумного плана творения. Интересно, что первый вариант можно проверить, т.к. для режима расширения и сжатия средняя плотность Вселенной должна быть выше некоторой критической величины. Численное значение которой существенным образом зависит от т.н. "скрытой" массы и значения массы нейтрино. В последнее время стали поступать сообщения о подсчете "скрытой" массы. Кроме того при существующей плотности обычного вещества для реализации сценария сжатия Все- ленной масса нейтрино должна превышать значение 10 eV. В стандартной модели электрослабого взаимодействия нейтрино считается безмассовым, однако большинство ТВО требуют, чтобы у нейтрино была масса. Пока экспериментально установлены только верхние границы массы нейтрино(m<16 eV)[23a].Согласно последним результатам, как считает Бьеркен второй вариант также возможно косвенно проверить по наличию или отсутствия реликтового излучения от распада "иных" вакуумов. Согласно этой теории первоначально существовало бесконечное количество вакуумов. Однако за счет нарушения симметрии реализовался лишь один из них с минимальной энергией. Остальные вакуумы распались с излучением некоторого специфического либо по интенсивности, либо по составу излучения. Поэтому регистрация данного излучения стала бы веским фактом в пользу сценария с распавшимися вакуумами. Если это так, то наука вплотную подошла к решению первого вопроса философии. Первоначальный вариант теории Большого взрыва не давал убедительного объяснения того, каким образом возникло вещество. Приходилось предполагать, что все вещество, из которого построена Вселенная, существовало с самого начала. В настоящее время космология дает очень правдоподобное объяснение происхождению вещества, основанное на действии суперсилы. Спустя 10_5-12 _0сек. после Большого взрыва (это время соответствует пределу энергий, достигнутому в настоящее время в физике элементарных частиц) температура была столь высока, что тепловой энергии оказалось достаточно для рождения всех известных частиц и античастиц. Позднее, когда составлявшие большую часть вещества пары частица-античастица аннигилировали, возник остаток вещества. Его свойства на этой стадии резко отличались от всего, что удавалось наблюдать в экспериментах. Вещество представляло собой "кварковую жидкость", в которой кварки двигались более или менее независимо, т. к. их потенциал был при столь высоких энергиях не линейный, а как у электричества и гравитации обратно пропорциональный по закону обратных квадратов. Такие известные частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде. Свойства фотонов, а также W-и Z-частиц были безнадежно перемешаны. Однако вещество не может продолжительно существовать в этой фазе. Внезапно возникают известные частицы-электроны, нейтрино, фотоны и кварки, которые теперь вполне различимы. При понижении температуры произойдет второй фазовый переход (первого или второго рода зависит от процентного содержания бозонов и фермионов) спустя 1 милисекунду после Большого взрыва. Плотный конгломерат быстро движущихся кварков внезапно конденсируется, образуя известные адроны. Конечно, это только первый набросок и каждое из приведенных здесь высказываний представляет отдельный физический вопрос и должно подлежать отдельной научной проверке. Однако без приведенных смелых экстраполяций физика была бы значительно более скучной дисциплиной. Отдельный интерес представляет вопрос о том, чем обусловлен Большой взрыв. При этом следует отметить, что некоторые ученые до настоящего времени с подозрением относятся к этой теории. Приводятся также некоторые экспериментальные свидетельства против этой теории [24b]. Не умаляя полученных автором результатов, можно заметить, что среднюю плотность "скрытой" материи пока точно не известна. Кроме того автор уделяет много внимания замкнутой Все- ленной. Наконец можно привести чисто конвенциональные доводы. Большой интерес представляют некоторые модификации теории Большого взрыва. Одной из них является теория инфляционного возникновения Вселенной. Еще на заре ОТО Эйнштейн для предотвращения коллапса Вселенной внес в уравнения гравитации дополнительный член, который отвечал за силы космического отталкивания или антигравитацию. Позднее Эйнштейн от нее с досадой отрекся, но идея вновь всплыла в связи с различными сценариями объединения. Вначале предполагалось, что величина отталкивания не изменяется со временем. Теперь не исключается сценарий, что в экстремальных условиях ранних стадий эволюции космическое отталкивание какое-то мгновение преобладало над гравитацией, заставив Вселенную взорваться, после чего его роль практически свелась к нулю. Эта общая картина вырисовывается из работ начала 80-х по изучению поведения материи и сил на очень ранних этапах развития Вселенной. Стало ясно, что гигантское космическое отталкивание - неизбежный результат действия суперсилы. Ключ к пониманию нового открытия космического отталкивания дает природа квантового вакуума. Такое отталкивание может быть обусловлено необычной невидимой средой, не отличимой от пустого пространства, но обладающей отрицательным давлением. Есть веские свидетельства в пользу того, что такими свойствами обладает квантовый вакуум. Теория предполагает, что вакуум может быть возбужден и находится в одном из многих состояний с сильно различающейся энергией. При этом заключенная в вакууме энергия может перетекать из одного состояния в другое. В теориях Великого объединения различие между самой низкой и самой высокой энергиями вакуума невообразимо велико. Наряду с потрясающими разностями энергий различным вакуумным состояниям соответствуют столь же гигантские разности давлений. Предполагается, что вначале Вселенная находилась в возбужденном состоянии вакуума, которое называют "ложным вакуумом". В этом состоянии во Вселенной действовало космическое отталкивание такой величины, которое вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной. В этом состоянии пространство должно было быть пустым (пространство де Ситтера).В отличии от модели де Ситтера все расстояния должны возрастать по экспоненциальному закону. В результате чрезвычайно быстрого и непрерывно ускоряющегося расширения очень скоро оказалось бы, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. Такой тип расширения, впервые рассмотренный в 1980г. Аланом Гутом, был назван им "инфляцией". Однако из-за ограниченный разностей энергии такое быстрое расширение не может происходить слишком долго. Как и во всех возбужденных квантовых системах, "ложный" вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. При этом Вселенная переходит в стадию обычного гравитационного притяжения. Разумеется, Вселенная и в этом случае продолжала бы расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период инфляции, однако скорость расширения неуклонно снижалась бы. Таким образом, для подтверждения этого сценария должно наблюдаться замедление расширения. Согласно"инфляционному сценарию", Вселенная начала свое существование из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Но, если бы даже они присутствовали изначально, их следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. Итак, к концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако, когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно "горячей". Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в "ложном" вакууме. Когда состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 10**27 К, что достаточно для протекания процессов ТВО. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории "горя- чего" Большого взрыва[24]. Самым непонятным в этой модели является вопрос о том, как данный сценарий согласовать с законом сохранения энергии. Если энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, то как же все-таки возникает первичная энергия? Не впрыскивается ли она в первый момент (некое новое начальное условие)? Теория инфляции предлагает одно из возможных научных объяснений этой загадки. Это объяснение основано на том факте, что закон сохранения энергии в обычном смысле не применим к расширяющейся Вселенной. Поскольку высокоэнергетический вакуум имеет отрицательное давление ,то он расширяя низкоэнергетическую фазу "дал" ей энергию. Как только период инфляции завершился, вся накопленная энергия высвободилась в одном гигантском всплеске, порождая теплоту и вещество в полном масштабе Большого взрыва. Инфляция автоматически решает проблему монополей, т.к. гигантское расширение пространства уменьшает их плотность до нуля. Несмотря на все успехи инфляционной теории последовательное, наилучшее описание возникновения Вселенной должно объяснить как возникло само пространство-время, которое затем подверглось инфляции. Пока только немногие ученые убеждены, что вполне правомерно ставить вопрос о том, каким образом пространство вообще(и ложный вакуум в частности) могло возникнуть буквально из "ничего" в результате процессов, которые в принципе поддаются изучению. Данными вопросами занимается т.н. квантовая космология. . Основная идея квантовой космологии состоит в применении квантовой теории ко Вселенной в целом. Это основано на том факте, что в эру Планка (10**-43 с.) квантовые эффекты из- за малости Вселенной должны были играть решающую роль. Согласно квантовой космологии возникновение Вселенной представляет собой своего рода квантовый скачек из Ничего во Время. Главная трудность этой идеи состоит в описании процесса рождения Вселенной в состояние ложного вакуума ,без которого процесс инфляции не произошел бы. Существует несколько сценариев таких процессов, однако все они строятся пока чисто спекулятивно и не могут быть подвержены экспериментальной проверке.
ВЫВОДЫ
В последнее время в теоретической физике сложилась парадоксальная ситуация. С одной стороны мало кто сомневается в справедливости калибровочных теорий, которые в некоторых случаях дают рекордные по точности и красоте результаты. Однако те же идеи например в квантовой хромодинамике пока дают менее впечатляющие результаты. Почти все серьезные физики уверены в том, что в сим- метриях и идее единства физики наконец найден путеводный принцип для истинных теорий. Но пока до экспериментальной проверки очень далеко. Хотя проверка деталей и является достаточно кропотливым делом, однако за почти двадцать лет пора уже получить какие-нибудь результаты в низкоэнергетическом пределе. Возможно это свя- зано с непреодолимыми или большими трудностями математического плана. Возможно была произведена какая-либо ошибка в самих основах теорий и придется как это уже было не раз в истории физики их пересматривать. Возможно придется всего лишь вернуться на шаг или два назад и пересмотреть например только схему спонтанного нарушения симметрии, заменив его на схему динамического нарушения, использовать другой лагранжиан и т. д. Или заменить квантовое описание с помощью волновых функций на солитонное или какое-нибудь другое. Возможно, это приведет к новому невиданному витку знаний и технологий. Подобно многим заманчивым образам единая теория может оказаться миражом, но впервые за всю историю науки складывается представление о том, как будет выглядеть законченная единая теория всего сущего. Данная теория также играет большую эвристическую и философскую роль. На основе физики элементарных частиц и космологии происходит постоянный обмен идеями между физиками и философами. В вопросах, связанных с происхождением Вселенной физика переходит в область далеких экстраполяций и гипотез, сливаясь с философией. Тут одним из самых сомнительных представляется вопрос о не применимости закона сохранения энергии ко Вселенной. Однако, как считает Фейерабент и частично Лакатош в науке должны быть позволены и имеют право на существование любые методы и теории. Селекцию призвано произвести научное сообщество и время. Если все же сам фундаментальный принцип сведения к единому и отказ от начальных условий правилен, то новая физика и новая космология выполняют свое обещание объяснить возникновение всех физических систем во Вселенной автоматически, исключительно за счет естественных процессов. В этом плане уже не требуется наличие чего-то сверхъестественного. Тем не менее, хотя наука и окажется в состоянии объяснить мир, еще останется дать объяснение самой науке. Законы, обеспечившие спонтанное возникновение Все- ленной, по всей вероятности, сами должны быть рождены каким-то остроумным планом. Именно законы, а не конкретные физические системы заключают в себе поразительную упорядоченность мира. Эти законы вдвойне замечательны, поскольку допускают как порядок, выражающийся в пространственной и временной простоте, так и порядок, проявляющийся в сложной организации. Но если физика продукт подобного плана, то у Вселенной должна быть конечная цель, и вся совокупность данных современной физики достаточно убедительно указывает на то, что эта цель включает и само существование познающего субъекта-человечества [2d]. Например, именно в связи с успехами антропного принципа и моделей саморазвивающейся Вселенной К.Поппер выдвинул свою концепцию "Открытой Вселенной"[25]. К.Поппер отмечает, что мы приближаемся к истине, он даже до- пускает, что мы можем ее иметь, однако мы никогда с полной уверенностью не знаем, что обладаем истиной[9d]. Подобно Попперу еще в ХVIII в. Гете утверждал, что следует опасаться людей, которые уверяют, что знают всю истину и поэтому останавливались в ее по- исках. В самом процессе поиска истины Гете подобно Гегелю видел большую ценность. Однако отличие Гегеля от Поппера больше чем у Гете, т. к. Гегель в самом процессе познания видел истину. Наука в этом плане значительно менее радикальна, чем Гегель, поскольку демонстрирует наличие в теоретических построениях неотъемлемого элемента реальности. Для иллюстрации достаточно вспомнить знаменитое высказывание Давида Гильберта, которое в некотором смысле перекликается c антропным принципом: ' мы должны знать и мы будем знать!" [26].
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Аристотель собрание сочинений в 4-х томах М. т.1 с.
67,100-104
2a. Девис П., Суперсила М. "Мир" 1989г.c.11
2b. Девис П., Суперсила М. "Мир" 1989г. c.242
2c. Девис П., Суперсила М. "Мир" 1989г. c.10
2d. Девис П., Суперсила М. "Мир" 1989г. c.264,266
3а. Овчинников Н.Ф. Тенденция к единству науки. М. 1990 с.5-26
3b. Овчинников Н.Ф. Тенденция к единству науки. М. 1990 с.5
3c. Овчинников Н.Ф. Тенденция к единству науки. М. 1990 с.16
3d. Овчинников Н.Ф. Тенденция к единству науки. М. 1990 с.111
3e. Овчинников Н.Ф. Тенденция к единству науки. М. 1990 с.218