Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности

В 1967 г. С. Вайнбергом и А. Саламом была применена идея спонтанного нарушения симметрии для построения единой теории электрослабых взаимодействий с массивными W⁺, W^- , Z°-бозонами и безмассовым фотоном . Предполагается существование такого этапа в эволюции Вселенной, когда не существовало различий между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Однако последующее расширение Вселенной привело к нарушению симметрии электрослабого взаимодействия до симметрии, отвечающей электромагнитному взаимодействию, и симметрии, отвечающей слабому взаимодействию. Так что в настоящую эпоху симметрия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Эксперименты в 1983 г. на ускорителе в ЦЕРНе (Европейская организация ядерных исследований в Женеве) по обнаружению W⁺, W^-, Z⁰-бозонов, результаты которых оказались в полном соответствии с предсказаниями теории, дали подтверждение правильности стратегической линии использования идей калибровочной симметрии в единстве с представлением о спонтанно нарушенной симметрии вакуума и явились косвенным подтверждением существования вакуумных хиггсовых конденсатов. Успех этот стимулирует физиков в направлении поисков адекватной симметрии, объединяющей сильное и электрослабое взаимодействие (Великое объединение), и симметрии, объединяющей Великое объединение и гравитационное (Суперобъединение). См.: Барашенков В.С. Законы симметрии в структуре физического знания // Физическая теория. Философско-методологический анализ. - М.: Наука, 1980. - С. 332-351.

Так как Вселенная расширяется, естественно предположить, что раньше она была меньше, что когда-то все пространство было сжато в сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики описан быть не может. По неизвестным причинам произошел процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала «расширяться». Процессы, происходящие при этом, объясняются теорией «горячей» Вселенной. Во всех развитых динамических космологических моделях утверждается о расширении Вселенной из некоторого сверхплотного и сверхгорячего состояния, называемого сингулярным.

«Общефилософские принципы дают основание полагать, что физические законы, которые выражают гипотетические свойства сингулярного состояния, принципиально отличны от ныне известных законов. При стремлении последовательно проводить реалистический взгляд на природу можно абстрактно утверждать, что само сингулярное состояние есть продукт некоего предшествующего развития материи. Видимо, вполне удовлетворительно в качестве относительно первой формы движения принять ту, которая возникла при «Большом Взрыве», т. е. речь идет о моменте перехода от сингулярного состояния к известным ныне базовым формам движения - это движения элементарных частиц и их взаимодействия». Князев В.Н. Философия физики // Философия науки. Методология и история конкретных наук. - М.: «КАНОН⁺». 2007. - С. 99.

Анализ проблем начальной стадии эволюции Вселенной оказался возможным после разработки новых представлений о природе вакуума. Как отмечалось выше, согласно современным представлениям, физический вакуум - не пустота. В физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц. Это своеобразное «кипение» вакуума нельзя устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики - соотношения неопределенностей Гейзенберга. Как показал советский физик Я.В. Зельдович в 1967 г., в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давление.

В последнее время усиленно обсуждаются причины того «первотолчка», который послужил началом расширения Вселенной. Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в теории инфляционной Вселенной. Рассмотрим ее основные положения и выводы.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк на основе скорости света с, кванта действия h и гравитационной постоянной G предложил основные единицы измерений для пространства и времени, называемые планковскими массой, длиной и временем. Он же высказал предположение, что эти величины могут играть существенную роль в физике См.: Поппер К. Логика научного познания. - М.: Прогресс, 1983. - 606 c.. Последующие успехи квантовой механики исподволь укрепили веру в то, что и могут быть квантами пространства и времени, для которых применимы современные физические теории.

С точки зрения английского теоретика С. Хоукинга, на самой ранней стадии развития Вселенной образовывались маленькие «черные дыры». Он также показал, что эти «черные дырочки» испаряются примерно через . Отсюда вытекает, что по истечении этого интервала времени во Вселенной существовала странная «пена» из «черных дыр». В этот момент пространство и время были совершенно не похожи на теперешние - они не обладали непрерывностью. Эта «пена» представляла собой, по сути, смесь пространства, времени, «черных дыр» и «ничего», не связанных друг с другом. См.: Шипов Г.И. Теория физического вакуума. - М.: Наука, 1997. - 238 c. «Расчеты квантовых процессов вокруг «черных дыр», проделанные С. Хоукингом, показали, что существует квантовый процесс рождения частиц гравитационным полем самой «черной дыры», приводящий к уменьшению массы и размера «черной дыры». Конечно, эти процессы намного слабее тех, что происходят в сингулярности. Согласно расчетам Хоукинга «черная дыра» массой М (в граммах) рождает частицы точно так же, как абсолютно черное тело, нагретое до температуры ». Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. - М.: Наука, 1983. - 175 c.

Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию См.: Линде А.Д. Хаотическая раздувающаяся Вселенная // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 138. Вып. 3. - С. 149-151.. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Вселенная - это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от латинского слова inflatio) означает вздутие, раздувание.

Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной - «ложный вакуум». Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум - это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный вакуум» стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный вакуум» представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем - физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. «Согласно современной космологии, в первичном высокоэнергетическом физическом вакууме происходят квантовые флуктуации (колебания) его характеристик, которые подчинены случайным процессам: они приводят в некоторых локальных областях (l=10^-33 см) к перестройке физического вакуума (происходит фазовый переход), и эти области начинают стремительно расширяться. Так и возникает наша (и не только наша) Вселенная». Тарароев Я.В. Современная космология - взгляд извне // Вопросы философии. 2006. № 2. - С. 143. В такой Вселенной причинно-следственные отношения устанавливаются за «квант времени», т. е. с классической точки зрения, сразу после момента её образования.

Далее предполагается, что в результате сильно неравновесного процесса на уровне вакуума Вселенная, оставаясь практически пустой, резко расширяется. Именно вакуум в резко неравновесном состоянии обеспечивает столь быстрое расширение. Вспомним, что вакуум есть система со специфическим уравнением состояния и его плотность энергии почти постоянна. Эти сведения относятся к равновесному вакууму, но, как было установлено в теоретических исследованиях последних десятилетий, такими же импульсно-энергетическими свойствами обладает и неравновесный вакуум. Оказалось, что в этом состоянии вакуум имеет громадную положительную энергию. В теории Эйнштейна это соответствует и громадной величине постоянной Хаббла, что и означает быстрое расширение Вселенной в стадии резко неравновесного вакуума. Вместе с тем необходимо учитывать, что, поскольку плотность энергии вакуума постоянна, многократное возрастание объема Вселенной приводит и к росту полной энергии вакуума. Точнее, при быстром расширении положительная полная энергия вакуума резко возрастает по модулю, но также растет по модулю и отрицательная энергия гравитационного поля. Баланс энергий во Вселенной не нарушается, т. е. перераспределение энергии в замкнутом объеме Вселенной может происходить как угодно, но полная её энергия будет равна нулю.

Теория инфляции идейно порождена концепцией хиггсовского вакуума, хотя, конечно, процессы инфляции могут быть инициированы и другими вакуумными подсистемами, например кварк-глюонным конденсатом.

Резюмируя, ещё раз подчеркнем, что существующая теория инфляции выделила ключевую идею неравновесности и показала плохую совместимость результатов с теорией частиц в известных на сегодня моделях; достигнутый же уровень теории вакуума и элементарных частиц показывает, что все исследования еще только впереди. И в этом случае решение центральных проблем увязывается с нашими знаниями о квантовой динамике вакуума в реальном времени. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «Большого Взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки - точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития, согласно антропному космологическому принципу, в моменты бифуркаций оказались именно такими, что в результате появилась жизнь нашего типа См.: Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. - М., 1990. - 364 c..

Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения и развития физического мира позволяют рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании и качественных, и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд, проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения его симметрии. Это вносит коррективы в представление об историзме физических объектов, ибо любой физический объект со своими характеристиками рассматривается в современной теории как момент, элемент космологической эволюции Вселенной.

«В философско-мировоззренческом плане Вселенная есть все существующее, вне её нет ничего, в том числе, разумеется, и пустоты. Причинами начала расширения Вселенной выступают квантовые эффекты, возникающие в поле тяготения при огромных плотностях материи. Эти эффекты во многом еще не ясны, современная физическая наука лишь начинает их исследовать и осмысливать; сам термин «Большой Взрыв» - больше метафора, чем точный теоретический конструкт. Современная космология еще не в состоянии дать достаточно достоверный ответ на вопрос о том, что же было до начала расширения Вселенной. Можно с известной определенностью сказать, что началу расширения предшествовало некое сингулярное состояние. Физическая наука может выдвинуть лишь некоторые гипотезы относительно сущности этого состояния и действующих в нем закономерностей». Князев В.Н. Философия для физики // Философия науки. Методология и история конкретных наук. - М.: «КАНОН», 2007. - С. 99. Таким образом, идея саморазвития в физике наполняется предметным содержанием при предположении, что в основе известных физических взаимодействий лежит единая фундаментальная суперсила со «скрытыми суперсимметриями». Это приводит к выводу о новых механизмах самоорганизации материи, ее качественной дифференциации и позволяет включить представления синергетики в методологию физики.

А. Эйнштейном была выдвинута идея существовании космического отталкивания, согласно которой две свободные пробные частицы, помещенные в пустую Вселенную, будут удаляться друг от друга с ускорением, прямо пропорциональным расстоянию между ними. «Вычислено, что Вселенная в целом имела бы положительную кривизну, если бы средняя плотность массы в ней была достаточно высокой. В настоящее время гипотеза расширяющейся Вселенной и недавние расчеты количества материи в ней, кажется, делают эйнштейновскую замкнутую конечную модель маловероятной». Рудольф Карнап. Философские основания физики. - М.: Прогресс, 1971. - С. 222. Справедлива модель Фридмана.

Новый анализ возникших проблем начальной стадии эволюции оказался возможным в свете новых представлений о вакууме и реализации в природе космологического решения де Ситтера. В этой модели Вселенной, предложенной де Ситтером в 1917 г., имеет место чрезвычайно быстрый рост размеров Вселенной R со временем t.

Считается, что вакуумноподобное состояние возникает тогда, когда время от начала расширения равно планковскому: t=t_p?10^-44c и плотность вещества при этом составляла с?с_p?10⁹⁴г/см³. Размеры Вселенной увеличивались со временем по закону R=R_oexp(3*10⁴³t), где t - в секундах. Вакуумноподобное состояние неустойчиво, с течением времени оно распадется, превратившись в обычную горячую материю. Это происходит через промежуток времени ?t, равный 10⁹·t_p=3·10^-35c.

Известно, что космологическое решение (R~e^Ht) было получено де Ситтером еще на заре космологии. Для всех известных тогда форм материи (вещество, излучение) выводы, следующие из модели де Ситтера, противоречили друг другу. Однако оказалось, что эти выводы неожиданно соответствуют физическому вакууму. При этом решение (R~e^Ht) обладает следующими особенностями: а) оно несингулярно при любом t (кроме t=-?); б) масштабный фактор возрастает со временем очень быстро; в) из-за необычного уравнения состояния (E=f(-p), где p - давление, Е - плотность энергии вещества) экспоненциальное расширение неустойчиво: оно не может продолжаться неограниченно долго. Через сравнительно малый промежуток времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме происходит фазовый переход, в процессе которого энергия вакуума переходит в обычное вещество и кинетическую энергию расширения Вселенной.

Все эти особенности деситтеровского решения явились причиной нового поворота в истории космологии. Этот поворот был обусловлен прогрессом в понимании сути физического вакуума и объединения фундаментальных физических взаимодействий. На основе модели де Ситтера была получена возможность интерпретации начальных стадий эволюции Вселенной. Но это уже не было альтернативой по отношению к модели Фридмана, а дополняло её. Произошел синтез обеих моделей, и достигнуто единство взглядов о существенной роли деситтеровского расширения на начальной стадии (<10^-35 сек.) эволюции Вселенной, хотя детали новой модели, названной моделью раздувающейся Вселенной, далеки от завершения. В рамках этой модели возникают некоторые проблемы, и она нуждается в основательном эмпирическом подтверждении, хотя, несомненно, что она правильно очерчивает общие контуры будущей полной теории развития Вселенной. «Вне зависимости от того, в какой степени указанная модель будет подтверждена эмпирически, ясно, что интеграция космологии с едиными теориями взаимодействий элементарных частиц должна устранить фридмановскую сингулярность, заменив ее фазовым переходом со спонтанным нарушением исходной симметрии вакуума». Кобзарев И.Ю. Спонтанное нарушение симметрии и его космологические следствия // Природа. 1975. № 11. - С. 20-26.

Механизм «раздувания» Вселенной связывается с поляризацией вакуума гравитационным полем или с особым фазовым переходом, обусловленным спонтанным нарушением симметрии вакуума и возникающими в этом процессе полями Хиггса. Спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса заключаются в следующем. Эффект спонтанного нарушения симметрии проявляется в том, что основное состояние системы больше не обладает полной симметрией, присущей лежащему в основе теории лагранжиану. В качестве примера можно привести ферромагнетик. В ферромагнетике выше определенной температуры (точки Кюри) все спины доменов ориентированы случайным образом. Однако ниже этой температуры возникает упорядочивание спинов, которое приводит к ферромагнетизму. Несмотря на то, что исходный лагранжиан является полностью симметричным, спины располагаются в определенном порядке направлении и симметрия нарушается. Механизм Хиггса действует аналогичным образом. Можно показать, что спонтанное нарушение симметрии связано с вырождением основного состояния. Поле Хиггса выбирает из бесконечного числа возможных значений одно конкретное значение, что приводит к нарушению симметрии, несмотря на то, что лагранжиан остается полностью симметричным. Теория возмущения далее строится уже около этого нового значения вакуумного среднего. Замена обычной производной на ковариантную приводит к прямому взаимодействию поля Хиггса с калибровочными полями. Члены, обусловленные ковариантной производной поля Хиггса, могут рассматриваться как массовые члены калибровочных бозонов.

Итак, мы видим, что экспериментальная физика пришла к дискретно-многоуровневой (или многослойной) модели строения физического вакуума. Конечно, четкого разграничения между слоями нет, все они перемешаны и находятся в постоянном сложнейшем энергообмене. Говоря об энергообмене различных слоев вакуума, мы опираемся на фундаментальное положение квантовых теорий, сведенное в принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому неопределенность в положении (т. е. координаты ?х) точки естества и неопределенность её импульса ?р_х, как меры её движения, связаны соотношением неопределенности.

Среди физиков уже сложилось мнение, что физический вакуум, особенно его кварк-глюонный и хиггсовские конденсаты, являются резервуарами колоссальной энергии. У современной науки пока ещё нет целостной картины физического вакуума. Она в стадии разработки и будет завершена лишь при полной геометризации всех его структур. Над этим и бьются физики - теоретики, работающие в рамках суперструнной программы. Нарушение симметрии вакуума можно интерпретировать как «просачивание» полей Хиггса через некоторый потенциальный барьер. Отдельный «пузырек», или домен, фазы с нарушенной симметрией очень быстро увеличивается и может породить всю наблюдаемую нами Вселенную.

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной на начальной стадии ее эволюции получила название модели «раздувающейся Вселенной». Согласно этой модели, при t0 вся энергия мира была заключена в его вакууме. Плотность энергии вакуума можно подсчитать, используя постоянные c, h и G. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10^-33c. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших неоднородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явление кристаллизации). При переходе вакуума в другое состояние мгновенно выделилась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10^-32 с пространство раздулось в громадный раскаленный шар размером много большим видимой нами части Вселенной. При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной. Энергия вакуумноподобного состояния перейдет в энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится обычной гравитацией, замедляющей расширение. Вселенная начнет развиваться по «горячей» модели.

Начало такой перспективе было положено серией существенных продвижений в осмыслении той роли, которую играют во Вселенном квантовые законы и геометрия пространства-времени. Чувствительность мира даже к самым малым вариациям законов квантовой теории поля и общей теории относительности позволяет говорить о том, что если бы известный нам конкретный набор законов как-то изменился, Вселенная также изменилась бы до неузнаваемости. Более того, было обнаружено, что существование сложных систем критически зависит от численных значений известных в физике фундаментальных постоянных, численные значения которых отражают основные особенности структуры материи: размеры атомов, ядер, планет и звезд, плотность вещества во Вселенной, время жизни звезд и даже размер животных. См.: Девис П. Суперсила. Поиск: единой теории природы. - М.-Л.: Мир, 1989. - 272 с.

Таким образом, космологические вопросы связывают воедино теорию полей и частиц и теорию пространства-времени. Создание такой объединенной теории всего сущего как большой концептуальной системы физики явилось бы кульминацией развития и логического завершения квантовой теории поля и общей теории относительности, что соответствовало бы становлению квантово-теоретической космологии, «поскольку основная идея квантовой космологии и состоит в применении квантовой теории ко Вселенной в целом, к полю, пространству-времени и веществу». Гудков Н.А. Идея Великого синтеза в физике. - Киев: Наукова думка, 1990. - 210 с. Теория всего сущего имеет характер всеобщего и стройного объединения частиц и взаимодействий расширяющейся Вселенной, а начальные условия стадии расширения определяются процессами, происходящими на инфляционной стадии, и практически не зависят от устройства Вселенной до раздувания. См.: Жог В.И., Князев В.Н. Концепция супервзаимодействия и единство физического знания // Философские науки. 1991. № 7. - С. 15-30.

Совершенно однозначно можно говорить о том, что в начальной стадии эволюции Вселенной произошел ряд фазовых переходов, результатом которых явились увеличение качественного многообразия и усложненности мира и снижение степени симметрии. Переход от фазы Великого объединения к фазе разделения сильного и электрослабого взаимодействий сопровождался нарушением симметрии до SU(3) и SU(2)xU(l). В результате такого перехода происходит дифференциация сильных взаимодействий от электрослабого взаимодействия и соответственно лептонов от кварков. На этой же стадии происходит процесс распада тяжелых мезонов, который, в конечном счете, привел к барионной асимметрии Вселенной.

Дальнейшее расширение и остывание приводит к следующему фазовому переходу, в результате которого нарушается симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями SU(2)xU(l) > U(I).

С. Вайнберг разделил весь этот период на четыре эры: лептонно-фотонная, адронная, промежуточных бозонов и рождения барионов. «В течение каждой из которых происходили интересные, но качественно различающиеся процессы». Вайнберг С. За рубежом первых трех минут // Успехи физических наук. 1981. Т.34. Вып. 2. - С. 333. Дальнейший процесс эволюции протекает в рамках стандартной модели.

Согласно модели раздувающейся Вселенной, первоначальное симметричное состояние Вселенной в результате остывания переходит в фазу с нарушенной симметрией. Отличительной особенностью такого фазового перехода является то, что он происходит очень медленно по сравнению со скоростью остывания. Усиление скорости переохлаждения приближает Вселенную к особому состоянию, которое определяется как ложный вакуум, хотя доказательство существования последнего экспериментально и не получено, но на его базе удалось решить ряд проблем, возникающих в рамках Стандартной Модели. В частности, на его основе удалось обрисовать картину образования доменной структуры. «Не окажись, - пишет П. Девис, - Вселенная в состоянии ложного вакуума, она никогда не оказалась бы вовлеченной в космической бутстрэп и не материализовала бы свое иллюзорное существование» Девис П. Суперсила. поиск единой теории природы. - М.: Мир, 1989. - С. 223..

Ложному вакууму, оказывается, так же как «истинному», присущи постоянные квантовые флуктуации, которые вызывают явление случайного «протекания» так называемого поля Хиггса через потенциальный барьер (туннельный переход), отделяющий ложный вакуум от фазы с нарушением симметрии. В результате поля Хиггса образуют «пузырьки» - фазы с нарушенной симметрией, которые быстро (со скоростью света) раздуваясь, переводят ложный вакуум в фазу с нарушенной симметрией. Этот сценарий позволил объяснить и понять плоскостности, горизонта и реликтовых монополий. Но, по свидетельству его создателя Алана Гута, этот сценарий приводит к некоторым нежелательным последствиям при рассмотрении свойств Вселенной после фазового перехода. Скалярное поле Гута - инфлантон - вызывает сверхбыстрое расширение (инфляцию) Вселенной в первые мгновения её возникновения. В частности, разогрев Вселенной после фазового перехода по этому сценарию должен был бы происходить за счет столкновения стенок пузырьков. Но в результате таких столкновений Вселенная должна была бы быть сильно неоднородной и анизотропной, что противоречит наблюдательным данным.

Несмотря на утверждения таких известных специалистов в этой области, как Хоукинг, Мосс, Стюарт, Гут, Вайнберг, что дефекты этого сценария в принципе нельзя устранить, возник новый сценарий, который был предложен отечественным физиком А.Д. Линде и независимо от нее А.А. Альбрехтом и П.Д. Стейнхардтом. Новый сценарий основывается на изучении фазовых переходов в симметричной теории Коулмена - Вайнберга. Отличие этого сценария от ранее предложенных состоит опять-таки в механизме фазового перехода. Здесь нет барьера между истинным и ложным вакуумами, и поэтому начальные тепловые флуктуации приводят к тому, что значение поля Хиггса отлично от нуля и его дальнейший рост быстро ускоряется (стадия раздувания) до максимальной величины, после которого ускорение исчезает и дальнейшая эволюция происходит согласно Стандартной Модели. «Основная идея нового сценария раздувающейся Вселенной, - пишет А.Д. Линде, - довольно проста: нужно, чтобы процесс нарушения симметрии за счет роста поля шел сначала достаточно медленно, чтобы Вселенная за это время успела сильно раздуться, а на более поздних стадиях процесса скорость роста и частота осцилляции поля вблизи минимума должны быть достаточно велики, чтобы обеспечить эффективный разогрев Вселенной после фазового перехода». Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических наук. 1984. Т. 144. Вып. 2. - С. 196.

Эта же идея использована А.Д. Линде и в уточненной версии нового сценария, более интересным вариантом которого является сценарий реликтового раздувания, который опирается на методологию, основанную на изучении процесса нарушения симметрии в супергравитации. Одна из центральных проблем теории - выяснение, почему в нашей Вселенной реализовался именно случай, связанный с переходом SU(5) SU(3)xU(l), тогда как потенциально возможны и множество других, в частности SU(5) SU(4)xU(l). Решение этой проблемы, по мнению А.Д. Линде, связано с характером раздувания Вселенной См.: Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических наук. 1984. Т. 144. Вып. 2. - С. 177-214., ибо рост поля начального сингулярного состояния в различных местах может происходить независимо в различных направлениях. И это может послужить причиной того, что в различных областях Вселенной, размеры которой намного превышают размеры видимой части Вселенной, случайно оказывается реализованной одна из возможных схем нарушения симметрии SU(5). Таким образом, в рамках нового сценария появляется идея множественности различных Вселенных, в каждой из которых реализуется свой набор фундаментальных законов физики и фундаментальных постоянных.

В рамках идеи ансамбля Вселенных широко обсуждается проблема об «антропологическом принципе» отбора Вселенных См.: Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии // Космология, теория и наблюдения. - М.-Л.: Мир. 1973. - С. 369-380. . «Информационное содержание антропных связей, - пишет по этому поводу Б. Канишайдер, - отлично от нуля. Если налицо связь некоторых инвариантных структур Вселенной с предпосылками существования наблюдателей, то следует искать новые динамические эволюционные объяснения. В этом смысле антропное объяснение суть «бланки» для динамических объяснений» Kanitsheidier B. Explanation in physical cosmology // Erkenntnlis. 1985. Vol. 22. № 1/3. - P. 261.. Характерным вариантом «заполнения» подобного «бланка» служит теория раздувающейся Вселенной, которая позволяет решить проблемы реликтовых монополий, доменных стенок и барионной асимметрии Вселенной.

В рассматриваемых моделях раздувающейся Вселенной в качестве исходного состояния выступает симметричный квантово-механический вакуум, симметрия которого в ряде случаев рассматривается как абсолютная, что методологически несостоятельно ввиду того, что в природе реализуется закон единства симметрии и асимметрии. Анализ этого обстоятельства привел к развитию третьего варианта теории, названного теорией хаотического раздувания См.: Линде А.Д. Хаотическая раздувающаяся Вселенная // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 138. Вып. 3. - С. 149-151. . Вариант основан на представлениях о хаотичности, асимметричности начального состояния, представляющего собой определенную разновидность квантово-механического вакуума. В рамках этой модели оказалось возможно сформулировать достаточно четкую картину образования Вселенной.

В метастабильном вакууме непрерывно возникают возмущения и нестабильности. Вследствие наличия потенциального барьера эти возмущения не успевают достаточно развиться. Вакуум, по образному выражению Дж. Уилера и С. Хоукинга, пенится, образуя микровселенные с планковскими размерами, хотя иногда происходит и раздувание области, в которой возникло возмущение, с последующей перестройкой вакуума. В процессе развития анизотропных возмущений в вакууме происходит компактификация размерности. Огромная энергия вакуума расходуется на расширение и нагрев Вселенной, образование новых частиц большой энергии. Перестройка вакуума сопровождается переходом от деситтеровского расширения к фридмановскому режиму. С помощью этого сценария многие вышеназванные проблемы получили простое и естественное объяснение, хотя полного решения, проблема начальной сингулярности, все еще не получила. Подходы к этой проблеме только-только намечаются. Одни считают, что путь к решению этой проблемы лежит через использование квантово-гравитационных эффектов, другие же придерживаются точки зрения, которая сводится к идее квантового рождения Вселенной «из ничего» или из какой-то другой Вселенной.

Первоначальная идея о квантовом рождении Вселенной рассматривалась в модели Вселенной Старобинского, которая альтернативна вышеназванным моделям Вселенной. Исходная цель модели Вселенной Старобинского - это решение проблемы начальной космологической сингулярности. «Решение проблемы основано на том, что экспоненциально расширяющаяся Вселенная Старобинского в некоторый момент времени допускает возможность своего «рождения» как целого «из ничего» Степин В.С. Становление научной теории. - Минск, 1976. - С.66-67.. Такая возможность, по мнению многих ученых, является чрезвычайно интересной и заслуживает самого пристального изучения. Рождение Вселенной «из ничего» как в научном, так и в философском смысле вполне реально, считают многие специалисты, правда, если под понятием «из ничего» понимать пока известные нам виды материи.

B.C. Готт, анализируя понятия «небытия» и «из ничего», приходит к важному в методологическом отношении выводу о том, что эти понятия «имеют разностороннее применение в науке. Причем, ни один из аспектов их применения не противоречит принципу «из ничего» ничего не бывает» Готт В.С. Материальное единство мира и единство научного знания // Философия и современное естествознание. - М., 1982. - Вып. 3. - С. 45. и поэтому «... ответом на древний вопрос «почему есть нечто, а не ничто?» был бы: «потому, что ничто неустойчиво» Виличек Ф. Космическая асимметрия между материей и антиматерией // Успехи физических наук. 1982. Т.136. Вып.1. - С. 149-165. . Неустойчивость связана с тем, что на малых расстояниях от сингулярной точки происходят сколь угодно сильные флуктуации метрики, своеобразное «кипение топологической пены» Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. - М.: Мир, 1974. - Т. 1. - 474 с., каждый пузырь которой можно рассматривать как отдельную Вселенную. Из-за квантовых флуктуаций в различные моменты времени случайным образом происходит превращение «кипящего вакуума» в отдельные пузыри раздувающихся вселенных. Каждая из них подобна нашей Вселенной, однако разные вселенные могут иметь разные физические свойства и развиваться по-разному. Возможен коллапс отдельных пузырей, и они снова перейдут в квантовое кипение. И даже без коллапса за гигантские промежутки времени отдельные вселенные из-за квантовых флуктуаций рано или поздно перейдут в квантовое состояние «кипящего вакуума». Такая картина не имеет ни границы, ни пределов. Это вечное кипение, вечное рождение новых вселенных и вечное их умирание. «Наша Вселенная вечна. Она - один из пузырей в Сверхвселенной». Согласно теории другие вселенные существуют, однако физические законы в них могут кардинально отличаться от законов нашего мира». «…Можем ли мы… выйти за границы нашего пузыря… и исследовать другие вселенные? К сожалению, непосредственно это сделать нельзя. Дело в том, что границы каждого пузыря расширяются со скоростью, большей скорости света. Границы нашей Вселенной удаляются быстрее любого сигнала, который мы можем послать к границе». См.: Новиков И.Д. Инфляционная модель ранней Вселенной // Вестник РАН. 2001. Т. 71. № 10. - С. 891-894. В результате такого квантового перехода через сингулярность рождается множество миров, в одном из которых находимся и мы - «ничто», таким образом, - это мыслимое единство Вселенной, которое синтезирует все сущее и являет «само собою наполняющую всеобщность». В физическом аспекте такое понятие можно идентифицировать с вакуумом, который придает физическому существованию Вселенной в ее разнообразных формах проявления, включая чудо самого «начала» Вселенной, единое операциональное значение, охватывающее все сущее «ничто», в отличие от традиционного разделения физической реальности на пространство-время, частицы и поля, материю и энергию, вещество и взаимодействие, синтезирует в себя безликую квантовую энергию виртуального состояния Вселенной, открытой принципиально случайному настоящему, то есть «началу» Вселенной» Гудков Н.А. Идея «Великого синтеза» в физике. - Киев, 1990. - С. 195.. При этом все неотъемлемые характеристики Вселенной (вещество, энергия, пространство-время, взаимодействия, поля, упорядоченности и структуры) охватываются общим понятием «ничто».

Эти и другие глобальные идеи еще нуждаются как в теоретическом обосновании, так и в экспериментальном подтверждении. Но достаточно надежно установленным фактом является то, что эволюции Вселенной на самых ранних этапах ее становления описываются Стандартной Моделью, дополненной инфляционной моделью стадии экспоненциального расширения. Причем, во всех этих сценариях эволюции Вселенной определяющей идеей выступает идея спонтанного нарушения симметрии. Более того, требования, налагаемые принципом симметрии и спонтанно нарушенной симметрии, заметным образом ограничивают число теоретически возможных моделей развития Вселенной, одновременно объясняя сам процесс возникновения наблюдаемого во Вселенной разнообразия. Таким образом, принципы симметрии и спонтанного нарушения симметрии являются такими категориальными структурами, которые воплощают глубокую диалектику противоречивого единства общего, особенного и единичного.

Спонтанные нарушения симметрии охватывают тотальные условия эволюции всей Вселенной как целого и привносят в картину мира идею иерархического развития и единства всей природы, где в начале, в фундаменте, расположен уровень элементарных частиц, а на самом верху - уровень галактик и Вселенной в целом. «То, что, во-первых, исследования самого низкого (кварково-лептонного) и самого высокого (Вселенной в целом) уровней выявляют тождественность ассоциированных с ними «последних» материальных причин и, во-вторых, что единственное адекватное понимание такого уровня, как Вселенная, возможно только в рамках представления о ее развитии (начиная с момента сингулярности вплоть до настоящего времени), приводит к универсализации идеи развития при рассмотрении всех уровней, а также необходимости их трактовки в контексте истории Вселенной в целом. Другими словами, в рамках современной физической картины мира рассмотрение развития какого-либо из ее уровней необходимо доводить до анализа развития всех уровней. Точно так же, явно недостаточно ограничиваться исследованием связи какого-либо отдельного уровня с его ближайшими соседями - необходимо установление взаимосвязи этого уровня со всеми остальными». Крымский С.В., Кузнецов В.И. Характерные черты современной картины мира // Методологический анализ физического познания. - Киев, 1985. - С. 103.

Изучение ранних этапов эволюции Вселенной ясно показало, что для их описания необходимы построение квантовой космологии, синтез релятивистской теории тяготения и физики элементарных частиц, ибо, как показывает развитие физики, каждое достижение микрофизики проливает свет на процессы ранней Вселенной.

Хотя модель раздувающейся Вселенной решает многие фундаментальные космологические проблемы и описывает процесс катастрофического, экспоненциального расширения пространства в результате гравитационного отталкивания вакуума в эпоху порядка 10^-35 с от «начала», но порождает, в свою очередь, и определенные трудности. При всем этом несомненным остается одно: эта модель правильно очерчивает общие контуры будущей полной (объясняющей и возникновение, и последующую эволюцию) теории развития Вселенной.

В настоящее время в кругах занимающихся этими проблемами появилась полная уверенность в том, что вне зависимости от степени эмпирического подтверждения указанной модели синтез космологии и микрофизики может решить проблемы фридмановской космологии, в том числе и проблему сингулярности, заменив ее фазовым переходом, качественным превращением одной физической формы материи в другую путем спонтанного нарушения исходной симметрии вакуума. Кроме того, в рамках квантово-полевой концепции эволюции Вселенной удается поставить и позитивно решить вопросы теории, связанные с пониманием того, как происходило «рождение» вещества во Вселенной, почему существует преобладание вещества над «антивеществом», как и что породило наблюдаемое ныне многообразие физических объектов во Вселенной, как происходило «отделение» электромагнитного излучения от вещества, какая судьба ожидает вещество и саму Вселенною в очень далеком будущем. Сам же учет космологических аспектов квантово-релятивистской картины мира позволяет говорить о взаимодействиях и фундаментальной структуре материи в контексте глобального эволюционного процесса. При этом калибровочные симметрии взаимодействий квантовых полей эксплицируются как глубинная причина существующего многообразия объектов во Вселенной и их квантово-динамического единства.

Теории великого синтеза, прежде всего, выражают собой новую фундаментальную парадигму теоретического познания мира, в рамках которой принцип симметрии и идея спонтанного нарушения симметрии рассматриваются как фундаментальные и объединяющие понятия всей современной физики, в том числе и вакуумно-энергетической концепции космического бугстрепа. Идея спонтанного нарушения симметрии фактически лежит в основе такой физико-математической рациональности, как «ничто - все сущее», согласно которой единство Вселенной мыслится как единство материи-энергии. Происхождение Вселенной в этом случае может быть рассмотрено в терминах необратимого возникновения материи-энергии. А существование мира в многообразии его форм и явлений представляется фактором, гарантирующим необратимый характер всех проявлений единства материи и энергии. Суть идеи спонтанного нарушения симметрии, таким образом, состоит в отражении с ее помощью фундаментального характера глобальной эволюции, начиная от суперсилы через последовательность фазовых трансформаций в состояниях космологического мира к дивергенции фундаментальных типов взаимодействий.

Таким образом, в великом слиянии теории физики высоких энергий и теории «Большого Взрыва» находит свое выражение истинная диалектика. «Наша Вселенная появилась из первичного высокоэнергетического физического вакуума порядка 15 млрд лет назад». Этот процесс ещё называют возникновением Вселенной из «ничего». «Но физический вакуум не есть «ничто» в полном смысле этого слова. Он представляет совокупность виртуальных (короткоживущих, время жизни которых t~10^-23 c) частиц. Кроме того, первичный физический вакуум обладал гигантской энергией ~10¹⁹ ГэВ (для сравнения, энергия доступная человеку в обозримом будущем в самых мощных ускорителях, составляет ~10⁴ ГэВ». Тарароев Я.В. Современная космология - взгляд извне // Вопросы философии. 2006. № 2. - С. 143. Этот всеохватывающий синтез физики высоких энергий и космологии демонстрирует объективную диалектическую противоречивость симметрии ее сохранения и нарушения. В свою очередь, диалектика принципов симметрии и спонтанно нарушенной симметрии в теориях «великого синтеза» отражает глубокое сущностное единство мира элементарных частиц и всей Вселенной.

Удовлетворительно описывающая свойства ранней Вселенной модель де Ситтера и модель Фридмана для более поздних промежутков времени должны быть согласованы между собой. Альтернативная модель видится в развитии гибридной модели, включающей в себя признание реальности существования одной стационарной иерархической Вселенной (идея Шарлье) и множества нестационарных фридмановских субвселенных. «Идея Фридмана непригодна для описания Вселенной в целом, поскольку бесконечно протяженный пространственно-временной континиум и его материя не «имеют права» ни расширяться, ни сжиматься. В свою очередь, модель Шарлье непригодна для описания субвселенных, так как не решает проблемы термодинамического парадокса, который в свете сегодняшних знаний представляет собой констатацию ограниченности времени жизни звезд». Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный принцип // Вопросы философии. 2008. № 5. - С. 77. Возникающая при этом зависимость размеров Вселенной от времени принципиально иная, нежели в модели Фридмана. Это уже не начало момента рождения Вселенной, а момент радикального изменения ее закона расширения. Переход же от одного закона к другому всегда означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменение ее фазового состояния.

Процессы, происходящие затем, объясняются теорией «горячей» Вселенной. Американский астрофизик Г.А. Гамов пришел к концепции «Большого Взрыва» и «горячей» Вселенной на ранних этапах ее эволюции. Рассмотрим исходные положения этой модели и ее основные результаты.

«Большой Взрыв» по современным представлениям произошел приблизительно 15-20 млрд лет назад. Согласно стандартной модели «горячей» Вселенной, сверхплотная материя после «Большого Взрыва» начала расширяться и постепенно охлаждаться. По мере расширения произошли фазовые переходы, в результате которых выделились физические силы взаимодействия материальных тел. При предполагаемых значениях таких основных физических параметров, как плотность с~10⁹⁶кг/м и температура T~10³²К, на начальном этапе расширения Вселенной, различие между элементарными частицами и четырьмя типами физических взаимодействий практически отсутствовало. Оно начало проявляться, когда понизилась температура и началась дифференциация материи.

С понижением температуры Метагалактики, состоящей из праматерии кварков, электронов, нейтрино, фотонов, глюонов, ч - бозонов, до Т?10²⁸К, соответствующей энергиям 10²⁴эВ, «высвобождаются» ч - бозоны, и вследствии этого происходит разделение сильного и электрослабого взаимодействий. При понижении температуры до Т?10¹⁶К?1000ГэВ происходит разделение слабого взаимодействия и электромагнитного взаимодействия.

Затем за время происходит аннигиляция кварков и антикварков. Имеется небольшой (составляющий примерно одну миллионную долю процента) избыток кварков по сравнению с антикварками. После аннигиляции остаются практически только кварки, а антикварки исчезают. Симметрия между материей и антиматерией нарушается. См.: Кронин Дж. Нарушение СР-симметрии. Поиск его истоков // Успехи физических наук. 1975. Т. 135. Вып. 2. - С. 195-211. Для дальнейшего понимания закономерностей образования и эволюции окружающего мира наиболее важным представляется то, что в первые мгновения образования Вселенной сформировался весь тот набор физических закономерностей и числовых значений фундаментальных мировых постоянных, который и обусловил ход ее последующей эволюции.

Таким образом, результаты современной физики и космологии показывают, что физический вакуум способен так реагировать на изменение условий во Вселенной, чтобы путем локальных изменений собственной структуры сохранять глобальную устойчивость в масштабах Вселенной и тем самым обеспечивать свою дальнейшую эволюцию путем образования новых структур как в нем самом, так и в веществе.

4.3 Структурные уровни организации вещества в контексте современной вакуумной картины мира

В истории физики всегда существовало стремление познать первооснову, из которой происходит вещество материального мира. В познании микромира физика исторически шла от молекул к атомам, от атомов к ядрам и далее к элементарным частицам.

До 1932 г. были известны лишь три «элементарные» частицы -- электрон, протон и фотон. Затем были открыты нейтрон, позитрон, м -лептоны, р - и р^о-мезоны, более тяжелые мезоны, гипероны, частицы-резонансы, электронные и мюонные нейтрино, антинейтрино и другие. Некоторые из этих частиц ничем не менее (но и не более) элементарны, чем протон или электрон. Другие (например, гипероны и частицы-резонансы) кажутся возбужденными состояниями более легких частиц. Большинство частиц нестабильно, они превращаются друг в друга и окружены «облаками» виртуальных частиц (например, нуклоны одеты в р-мезонные «шубы»). Таким образом, понятия об элементарности или сложности частиц сами становятся весьма неэлементарными и сложными. Частицы характеризуются массой, спином, зарядом, временем жизни и рядом других величин и квантовых чисел. Причем число частиц имеет весьма разнообразный набор характеристик См.: Новожилов Ю.А. Элементарные частицы // Структуры и формы материи. - М.: Наука, 1967. - С. 193-228..

На присущих частицам взаимодействиях была основана их начальная классификация. Сильновзаимодействующие частицы называются адронами (от греческого «hadros» - «тяжелый»), они подразделяются на барионы и мезоны. Адроны обладают также слабым и электромагнитным взаимодействиями, которые заметно проявляются лишь в тех случаях, когда процессы сильного взаимодействия почему-либо не могут происходить. Например, пионы, самые легкие из адронов, не могут распадаться, образуя другие, более легкие адроны, т. е. за счет сильного взаимодействия.

Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, но обладающие слабым, называются лептонами (от греческого «leptos» - «легкий»). Лептоны, не имеющие электрического заряда, - это нейтрино, причастные только к слабым взаимодействиям. Заряженные лептоны (пока речь шла о двух из них - электронах и мюонах, но есть третий тип, называемый тау-лептонами), очевидно, обладают также электромагнитным взаимодействием.

Фотоны не являются ни адронами, ни лептонами, они входят в еще один класс частиц. Все частицы одного типа (например, все электроны или все протоны) тождественны. Принцип тождественности лежит в основе квантовой статистики, рассматривающей свойства систем частиц.

Одним из основных свойств частиц является их спин, характеризуемый соответствующим квантовым числом. Это число выражает величину спина в единицах постоянной Планка и может быть либо целым (включая нулевое), либо полуцелым. Частицы с целым и полуцелым спином существенно различаются, проявляется это различие в том, что они подчиняются различным законам квантовой статистики. Системам частиц с целым спином соответствует статистика Бозе - Эйнштейна, и поэтому их называют бозонами, частицы с полуцелым спином называют фермионами, так как они подчиняются статистике Ферми - Дирака. Последняя включает принцип Паули - важнейший принцип квантовой теории, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состояния (одно из проявлений принципа Паули - образование электронных оболочек атомов, каждая из которых заполняется до тех пор, пока не будут исчерпаны все комбинации квантовых чисел электронов для данной оболочки: энергия, орбитальный момент и его проекция, ориентация спинов). Все фермионы имеют античастицы, что теоретически следовало еще из уравнений Дирака. В пределах достигнутой в настоящее временя экспериментальной точности фермионы могут рождаться или уничтожаться только в паре с антифермионами. Это означает, что сохраняется разность числа фермионов и числа антифермионов. См: Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука, 1984. - 325 с.