Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности

1. Эта среда не может служить системой отсчета. Если имеются системы отсчета, движущиеся относительно друг друга с некоторой ненулевой скоростью, то такая среда будет сопутствовать и той, и другой. Следовательно, движение и покой относительно такой среды неразличимы. Но в этом состоит основное механическое свойство вакуума. Таким образом, эта среда является вакуумом.

2. Среда является неизменной и «вечной». Её энергия представляет собой абсолютный и постоянный во времени минимум энергии, содержащийся в мировом пространстве. Это ещё одно обязательное свойство вакуума.

3. Среда с таким давлением создает не тяготение, а антитяготение. Всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а напротив, отдалить их друг от друга. Если поместить в вакуум две пробные частицы, в начальный момент покоящиеся относительно друг друга, то вакуум заставит их затем удаляться друг от друга.

4. Говоря на языке ньютоновской физики, вакуум создает силу, но сам не подвержен (как макроскопическая среда) воздействию ни внешних сил тяготения, ни собственного антитяготения.

Таким образом, подобно тому, как в начале прошлого века наука вступила в изучение глубин материи на уровне микромира, сегодня она открывает новую, ранее не предполагавшуюся глубинную область материи невообразимо малых размеров. Исследовать эту область удается только теоретическими методами, а о справедливости получаемых знаний можно судить лишь изучая следствия теории, которые проявляются в областях, доступных для эксперимента. Перед наукой сегодняшнего дня встала задача - определить природу того, что названо темной энергией, и объяснить её доминирующую роль во Вселенной. Пока такая задача не выполнена, но можно высказать на этот счет некоторые предположения. В нашем мире реализуются две формы материи: это вещество и физический вакуум. Уже давно физики рассматривают вакуум не как пустоту, но как материальную среду, отличную от вещества. Имеются основания считать, что открытая астрономами темная энергия - это и есть энергия вакуума. Окончательное доказательство ещё предстоит найти, но совокупность всех наблюдательных данных о темной энергии, полученных начиная с 1998 - 1999 гг., полностью согласуется с такой возможностью.

Если поток расширения обязан своим происхождением, как полагают вслед за Глинером, первичному вакууму Вселенной, то его плотность была изначально исключительно высока, превышая его измеренную сейчас плотность на множество порядков величин. Из-за этого вакуум и сам был способен изменяться, эволюционировать, порождая при этом «обычное» вещество, не вакуумные формы космической энергии. Эта эволюция первичного вакуума завершилась в первые пикосекунды существования мира, оставив после себя многокомпонентную космическую среду, в которой вакуум и не вакуумные энергии оказались в итоге согласованными друг с другом, симметричными по отношению друг к другу.

Главный итог космологических исследований последних лет таков: существование темной энергии и создаваемого ею антитяготения надежно и теперь уже окончательно доказано. Постепенно усиливаются объективные свидетельства в пользу эйнштейновской космологической постоянной и представления о темной энергии как о вакууме Эйнштейна - Глинера. Это заключение можно вывести из всей совокупности новейших результатов, отраженных в обширном потоке космологической литературы.

В 1967 г. Я.Б. Зельдович выдвинул предположение о том, что сумма вакуумных энергий (формально бесконечных) всех полей и частиц могла бы каким-то образом обеспечить конечное, и притом малое, значение плотности космического вакуума. «Учитывалось, что вакуум фермионов и вакуум бозонов имеют разные знаки энергии, и они в принципе могли бы полностью погасить друг друга, если в природе имеется строгая симметрия между бозонами и фермионами (которая в дальнейшем получила название суперсимметрии). Тогда в итоге получится нулевая суммарная плотность космического вакуума всех полей. Согласно теории элементарных частиц, вакуум - это основное, т. е. энергетически наинизшее, квантовое состояние поля или системы полей. Следовательно, вакуум есть проявление физического (материального) поля, и в отсутствие последнего нет и первого. Если во время сингулярности вся материя Вселенной была сконцентрирована в одной точке, то и все поля, а с ними и вакуум должны были быть «сжаты» до точки». Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» атропный принцип // Вопросы философии. 2008. № 5. - С. 75. Но такая симметрия не обязательно должна быть абсолютно строгой, она может быть слабо нарушенной. Поэтому компенсация энергий не обязательно будет полной, и в результате возникает неисчезающая малая разность двух вакуумных энергий, каждая из которых формально бесконечна. В последнем случае возможно, по мысли Зельдовича, отождествление двух вакуумов - квантового и того, который описывается космологической постоянной. Эту исключительно привлекательную идею до сих пор не удалось ни доказать, ни опровергнуть.

Эти открытия привели к решительной смене физической картины мира, к совершенно новому пониманию того, что представляет собой современная нам Вселенная. Как оказалось, в ней господствует космический вакуум с его антигравитацией, которая заставляет галактики с ускорением разбегаться друг от друга. Но ни галактики, ни его собственная антигравитация, ни даже само время не способны воздействовать на нынешний космический вакуум - он абсолютно неподвижен, неизменен и вечен. Мы неожиданно осознали, что живем в четырехмерном пространстве-времени, которое недавно завершило свою космическую эволюцию и к нынешней эпохе практически достигло идеально регулярного, геометрически симметричного состояния, которое будет затем длиться неограниченно долго.

4.4 Роль понятия вакуума в формировании единой теории фундаментальных физических взаимодействий

История идей объединения взаимодействий в физике имеет давние традиции См.: Спасский Б.И. История физики. - М.: Высшая школа, 1977. - 320 с.. Еще более триста лет назад Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, количественно продемонстрировав то, что сила земного тяготения, управляющая падающими на Землю телами, идентична по своей природе небесной гравитации - силе, которая удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца.

Исследуя электрические и магнитные явления, Фарадей и Ампер показали, что магнитные силы порождаются движущимися электрическими зарядами. Это открытие послужило началом объединения совершенно различных сил природы - электричества и магнетизма. Единую картину этих сил блестяще завершил Максвелл, который показал, что следствием единства электричества и магнетизма является электромагнитное излучение ускоренно движущихся электрических зарядов. Тепловое излучение, свет, радио- и рентгеновские лучи не что иное, как различные проявления электромагнитного взаимодействия.

Согласно современной физике, в природе существует лишь небольшое число фундаментальных взаимодействий. До недавнего времени считали, что их четыре, однако теперь установлено «родство» между двумя из них, и, таким образом, количество фундаментальных взаимодействий, позволяющих описать всю совокупность наблюдаемых явлений, сократилось до трех. Однако, поскольку проявления двух «родственных» взаимодействий в доступной для нас области энергий заметно различаются, особенно с точки зрения эксперимента, мы будем говорить пока о четырех взаимодействиях: сильном, электромагнитном и слабом, а также гравитационном.

Сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядрах, приводит к различным ядерным реакциям при столкновении ядер и нуклонов (в частности, к расщеплению ядер и термоядерному синтезу), а при достаточно больших энергиях - к рождению новых сильновзаимодействующих частиц - адронов: пионов, К-мезонов, барион-антибарионных пар и т.д. Это взаимодействие короткодействующее, его радиус порядка 10^-13см. Характерные времена процессов, обусловленных сильным взаимодействием, 10^-22 - 10^-24 с.

Электромагнитное взаимодействие определяет существование атомов и молекул, электрические, магнитные и оптические явления, химические процессы, а также многие силы, наблюдаемые в макроскопических явлениях: силы упругости, трения и т. д. В микромире процессами, вызванными электромагнитными взаимодействиями, являются ионизация, испускание и поглощение фотонов, рождение и аннигиляция пар е^-, е⁺, расщепление ядер фотонами, фоторождение мезонов, распады частиц с испусканием фотонов (радиационные распады), рассеяние электронов и мюонов и многие другие. Электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим. Характерные времена электромагнитных распадов частиц 10^-12- 10^-21 с.

Слабое взаимодействие ответственно за бета-распад ядер и за распады всех нестабильных частиц, которые не могут распадаться за счет сильного или электромагнитного взаимодействия, а также за все процессы с участием нейтрино. Это взаимодействие играет также заметную роль в ряде важнейших макроскопических явлений природы, например в эволюции звезд, особенно на ее заключительных этапах. Характерной особенностью слабого взаимодействия является то, что оно нарушает ряд законов сохранения, выполняющихся в сильном и электромагнитном взаимодействиях. Слабое взаимодействие - короткодействующее, его радиус примерно 10^-16 см. Средние времена распадов частиц за счет слабого взаимодействия 10^-12 - 10^-21 секунд.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое из всех четырех. Оно пропорционально произведению масс взаимодействующих тел и в мире частиц, вследствие малости их масс, не ведет к экспериментально наблюдаемым явлениям, хотя в гравитационном взаимодействии участвуют все частицы. Это взаимодействие дальнодействующие, как и электромагнитное. Однако электрические заряды, определяющие электромагнитное взаимодействие, имеют два знака («+» и «-»), между зарядами могут действовать как силы притяжения, так и силы отталкивания, и в макромире они в среднем уравновешиваются. Массы частиц (или тел), в отличие от электрических зарядов, имеют лишь один знак, действие всех частиц макроскопического тела в гравитационном взаимодействии суммируется, и в макромире, как мы знаем, тяготение играет очень важную роль.

Электромагнитное взаимодействие на квантовом уровне состоит в обмене фотонами, тогда как сильное взаимодействие - это в своей основе взаимодействие между кварками, осуществляемое путем обмена глюонами. Глюоны - безмассовые частицы (на старом языке физики это означает, что их масса покоя равна нулю) со спином 1, играющие в сильном взаимодействии роль, сходную (но не тождественную) с ролью фотонов в электромагнитном взаимодействии. Слабое взаимодействие считалось сначала непосредственным, контактным взаимодействием фермионов. Однако дальнейшие исследования, теоретические и экспериментальные, показали, что и оно обменного типа и осуществляется путем обмена бозонами со спином 1. Эти бозоны обозначают W (заряженные) и Z° или Z (нейтральные). В отличие от фотонов и глюонов они тяжелые. Фотоны, глюоны, W и Z - «переносчики» взаимодействий - относятся к классу так называемых калибровочных бозонов. Дело в том, что все кванты полей, рассмотренные нами, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами калибровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного 1, за исключением гравитона, спин которого предполагается равным 2. Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых склярных бозонов, спин которых равен 0.

Одним из важных направлении современной физики является стремление в этом многообразии взаимодействий найти более простой исходный порядок, свести их к единому взаимодействию. Такое стремление имеет свои предпосылки. Как отмечалось ранее, были объединены небесная механика и земное тяготение, электричество и магнетизм. Между взаимодействиями четырех типов существует нечто общее: по современным представлениям, все они связаны с обменом квантами и частицами соответствующих полей. Благодаря открытию Максвеллом закона электромагнитного поля и полученным Эйнштейном уравнениям гравитационного поля появились две важные, но не связанные друг с другом теории.

Первым взялся их объединять немецкий ученый Герман Вейль. Он, изменив несколько аспектов общей теории относительности, пришел к поразительному результату - из общей теории относительности вытекали уравнения Максвелла, т. е. немного изменив общую теорию относительности, Вейль построил теорию, которая описывала и электромагнитное и гравитационное поля См.: Вейль Г. Симметрия. - М.: Наука, 1968. - 192 с.. Г. Вейль, действуя в рамках новой (релятивистской) системы мышления и идеи единой геометрической теории поля, существенно обобщил концептуальную схему общей теории относительности. «Г. Вейль попытался дополнить общую теорию относительности, - пишет А. Эйнштейн, - введя дальнейшее условие инвариантности, и создал при этом теорию, заслуживающую большого внимания, хотя бы уже в силу смелости и логичности его математической мысли» Эйнштейн А. Собрание научных трудов: В 4 т. - М.: Наука, 1965. Т. IV. - С. 100..

Принципиально новые эвристические аспекты идеи «универсальной геометродинамики» в подходе Г. Вейля открывались потому, что Вейль придает инвариантный смысл не длине линейного элемента или вектора, а только отношению длин двух линейных элементов или векторов, исходящих из одной точки. Параллельный перенос должен быть таким, чтобы это отношение сохранялось. Г. Вейль назвал свою идею масштабной инвариантностью, а позже сменил это название на фазовую инвариантность. В настоящее время в литературе утвердилось название «калибровочная инвариантность».

Таким образом, в вейлевском варианте обобщения общей теории относительности было показано, что «калибровочная инвариантность может иметь характер общей относительности, хотя и не идентичной эйнштейновской относительности» Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. - Киев: Наукова думка, 1990. - С. 99.. Методологическая значимость вейлевского введения калибровочных теорий в физику определялась тем, что, с одной стороны, она требовала существенного расширения понятийных основ общерелятивистской теории, а с другой - создавались предпосылки для появления существенно иных (не эйнштейновских) типов обобщений релятивистской теории. Но детальный анализ показал, что теория несовершенна. Первым на ее недостатки указал Эйнштейн. Дело в том, что все степени свободы эйнштейновского пространства без остатка тратятся на описание гравитационного поля. Дополнительные степени свободы появляются в нем при использовании выдвинутого в 1918 г. Г. Вейлем принципа: на характере физических законов не сказывается изменение в каждой точке пространства длины. При этом допустимы неоднородные замены с меняющимся от точке к точке отношением масштабов.

В 1921 году еще одну интересную попытку объединения сделал немецкий ученый Теодор Калуца См.: Калуца Т. К проблеме единства физики // Сб. «Альберт Эйнштейн и теория гравитации». - М.: Мир., 1979. - С. 529-534.. Он показал, что если уравнения Эйнштейна записать не в 4-х, а в 5-ти измерениях, произойдет то же чудо - в теории появятся уравнения Максвелла. Он нашел пятимерное представление в ковариантном виде уравнений электромагнитного поля Максвелла. Пятое измерение, по его представлениям, является временно-подобным и не имеет непосредственного физического смысла, но оно должно было обеспечить включение электромагнетизма в единую теорию поля.

В течение нескольких лет ученые проявляли к теории Калуца значительный интерес. Правда, оставалась нерешенной одна серьезная проблема: в реальном мире только четыре измерения (три пространственных и одно временное). Что это за пятое измерение? Где оно прячется? Калуца сделал попытки избавиться от «лишних измерений», что ему удалось-таки, но трудности на этом не исчезли.

В 1926 году теорию дальше развил шведский физик Оскар Клейн Kepler I. Opera omnia. Frankfurt, 1858. - P. 423. Он предположил, что пятое измерение физически не проявляется. Пятое измерение пытался осмыслить О. Клейн, перенося теорию Калуцы в область квантовой теории поля и обсуждая такую концептуальную схему уже в связи с квантово-теоретическими средствами анализа физической реальности. Именно в таком аспекте в настоящее время анализируются геометрические аспекты единых калибровочных теорий взаимодействий элементарных частиц.

Теория Калуцы - Клейна явилась формальным расширением идей Эйнштейна, и ее неудачи связаны с тем, что она, как и общая теория относительности, опиралась на фундаментальный физический принцип - принцип эквивалентности. Теория Калуцы - Клейна, хотя и объединила гравитацию и электромагнетизм, но не могла быть проверена и не предсказывала ничего нового. Поэтому она также была оставлена. Интерес к ней возродился недавно в связи с успехами теории объединения взаимодействий. Возможно, пятое измерение действительно существует, но мы не замечаем его потому, что оно компактифицировалось (свернулось в кольцо очень малого радиуса - менее 10^-33 см). Напомним, что 10^-33 см - это планковская длина . Это скрытое от нас измерение косвенным образом проявляется в заряде См.: Калуца Т. К проблеме единства физики // Сб. «Альберт Эйнштейн и теория гравитации». - М.: Мир, 1979. - С. 529-534..

Вольфганг Паули, потративший несколько лет на разработку таких теорий, совершенно отчаялся и пришел к выводу, что дальнейшие усилия бесполезны. «Человеку не дано объединить то, что разделил Господь!», - воскликнул он в сердцах Паули В. Общие принципы волновой механики. - М.: Мир, 1974. Т. 1 - 474 с..

В 1925 году Эйнштейн начал работать над теорией, которой ему суждено было заниматься с краткими перерывами до конца своих дней. Он продолжал работать практически в полной изоляции над гигантским замыслом, который захватил его воображение с того момента, когда была успешно завершена общая теория относительности, - над «единой теорией поля». Если геометрия - это гигантский водоем, который все больше и больше поглощает области физики, почему мы должны остановиться на гравитации? Может быть, если приглядеться повнимательнее, в ней можно найти место для электричества и, может быть, даже для квантовых явлений? Да и в самом деле, что еще можно предположить, если поверить в фундаментальное единство природы? Ланцош К. Альберт Эйнштейн и строение космоса. - М.: Наука, 1967. - С.132.

Большие надежды на создание единой теории поля породил успех общей теории относительности Эйнштейна. Введение четвертого измерения позволило единообразно описать механические и электромагнитные явления, а с помощью геометрических свойств четырехмерного пространства (его кривизны) - тяготения. Громадные усилия были затрачены А. Эйнштейном на попытки создания единой геометрической теории поля. Подобно Вейлю и Калуце, Эйнштейн считал, что единая теория поля должна вырасти из обобщения общей теории относительности. Вейль приводит обобщение, добавив метрику, а Калуца измерение. Эйнштейн искал другие возможности и нашел их - с его точки зрения, наиболее удачные и естественные. Общая теория относительности была симметричной теорией, т. е., другими словами, метрика была симметричной. Эйнштейн решил посмотреть, что получиться, если отказаться от симметрии, и построил несимметричную теорию. И вновь чудесным образом появились уравнения Максвелла, и снова появилась надежда, что единая теория поля вот-вот будет готова.

Эйнштейн какое-то время развивал её, а после ненадолго оставил, чтобы заняться другой теорией, являющейся модификацией теории Вейля. В начале 1929 года он пришел к убеждению, что эта видоизмененная им теория верна. Но вскоре стало ясно, что и тут есть трудности, которые нужно объяснить на пути к объединению. Эти трудности пересекались с квантовой теорией, и поэтому единая теория поля, чтобы стать действительно всеобъемлющей теорией всей Вселенной, должна была каким-либо образом включать в себя и квантовую теорию. Эйнштейн был не в восторге от квантовой механики и её статистического подхода к проблемам микромира. Он был убежден, что при обобщении как-то удастся обойтись без принципов вероятностей и неопределенностей См.: Омельяновский М.Э. Проблема элементарности частиц в квантовой физике //Философские проблемы физики элементарных частиц. - М.: Наука, 1964. - 320 с..

Эйнштейн не достиг успеха. Трудности в создании единых теорий поля, как теперь стало ясно, связаны с тем, что имеется несколько типов фундаментальных взаимодействий, различающихся как константами взаимодействий, так и типами симметрии. Успеха можно было добиться на пути объединения различных взаимодействий.

Идея объединения общей теории относительности и электромагнетизма в рамках единой геометризованной теории получила интересное продолжение и развитие в геометродинамике Уилера См.: Уиллер Дж. Предвидение Эйнштейна. - М.: Мир, 1970. - С. 93., суть которой состоит в конструировании гравитационно-электромагнитных объектов, представляющих собой высоко концентрированное электромагнитное поле, удерживаемое собственным гравитационным притяжением в течение весьма длительного времени. Причем, такие объекты существуют исключительно за счет локализованного искривления пространства-времени, представляя яркий пример того, как можно использовать пространственно-временной континуум для конструирования физических объектов. Подобным же образом Уилер вводит понятие топологических ручек, дырок, многосвязанных областей, сохраняя в малом обычную топологию и риманову геометрию. Суть этих нововведений сводится к тому, что электромагнитное поле, взаимодействуя, оставляет «отпечаток» на метрике, и он (отпечаток) настолько характерен, что, опираясь исключительно на него, можно узнать все, что касается электромагнитного поляСм.: Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. - Т. 1. - М: Мир, 1974. - 474 с..

В квантовом варианте геометродинамики Уилер попытался включить микрочастицы в геометродинамическую картину путем предположения о существовании пенообразной структуры пространства и мелкомасштабных флуктуаций его метрики, которые и меняются с течением времени по квантовым законам. Однако на этом пути успех также не был достигнут ввиду того, что геометродинамика по своему характеру представляет собой всего лишь программу, на основе которой следует ожидать качественные предсказания и выдвижение новых концептуальных схем, а не получение каких-либо точных вычислений См.: Философия науки /под. ред. С.А. Лебедева. - М.: Трикста, 2004. - С. 607-609..

В работах Уилера, Шемберга, Герога, Мизнера, Хоукинга и других См.: Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. - М.: Мир, 1974. - Т. 1. - 474 с.; Мизнер Ч., Уиллер Дж. Классическая физика как геометрия // Альберт Эйнштейн и теория. - М.: Мир, 1979. - С. 542-554; Шипов Г.И. Теория физического вакуума. - М.: Наука, 1997. - 238 с. было окончательно показано, что для успешной реализации программы единой геометризированной теории поля концепции искривленного пространства-времени явно недостаточно, что изменение метрики мира еще не самое главное геометрическое свойство пространства-времени. Оказалось, что гораздо значимы топологические инварианты пространственно-временного континуума. В целом, хотя до конца и не удалось, адекватно представить «пространственно-временной мир» как предметную область физической теории в рамках единой теории поля Эйнштейна, но в рамках этой теории фактически заложены основы для формирования иного методологизма единой теории поля.

В отличие от Эйнштейна В. Гейзенберг подходит к проблеме создания единой теории поля через поиск новых концептуальных средств выражения, которые обеспечивали бы единство законов квантового поведения материи. Сущность подхода сводится к определению уравнения движения на основе «праматерии» (фундаментального поля) спинорной природы, которая взаимодействует сама с собой и порождает весь спектр элементарных частиц. Это своеобразная попытка «сформулировать закон природы, который кроется за сложным спектром частиц, их взаимодействиями и симметриями» Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных частиц. - М.: Мир, 1968. - С. 136..

В гейзенберговской единой теории поля порождение системы элементарных частиц описывается дифференциальным уравнением, ограничения которого вводятся принципом симметрии. Принципиальный гносеологический момент состоит в том, что физические взаимодействия должны изучаться не только в связи с ограничивающими условиями экспериментальной установки, но и как некие «формы порождающегося самоограничения».

Дальнейшее развитие физической теории мыслилось как применение идей и методов квантовой электродинамики к описанию слабых и сильных взаимодействий. Но методы этих теорий оказались неэффективными в области сильного взаимодействия в силу чрезвычайно большого возмущающего характера действующих сил, искажающих любую простую схему приближения См.: Вайнберг С. Единые теории взаимодействия элементарных частиц // Успехи физических наук. 1976. Т. 118. Вып. 3. - С. 505-521.. Первоначальный оптимизм в отношении построения теории слабого взаимодействия ввиду малости константы, характеризующей это взаимодействие, также быстро угас из-за того, что четырехфермионная теория слабых взаимодействий оказалась неперенормируемой. В связи с этим возникли принципиальные трудности, связанные в том числе и с дальнейшим совершенствованием математических методов. Все эти трудности вместе способствовали формированию среди физиков представления о регрессивности квантово-полевого подхода.

Преодоление кризиса связано с двумя фундаментальными парадигмами физики микромира: локально-калибровочной инвариантностью и спонтанным нарушением симметрии, формирование которых как целостных парадигм в самом общем виде должно рассматриваться как итог качественно нового синтеза противоречивых понятийных систем, как результат обобщения всех предшествующих фрагментарных теорий См.: Яшин Б.Л. Диалектическое единство симметрии асимметрии и его роль в научном познании // Диалектический материализм и философские вопросы естествознания. - М.: Наука, 1987. - С. 49-55.. Оказалось, что требование локальности калибровочных преобразований необходимо приводит к установлению глубокой связи между динамическими симметриями и пространством-временем, а инвариантность относительно локального преобразования приводит к необходимости введения компенсирующих векторных (бозонных) полей. Особенность последних состоит в том, что они являются переносчиками взаимодействия. «Важность этого результата, - пишут Ахундов М.Д и Илларионов С.В., - трудно переоценить, впервые в истории физики микромира удалось установить единообразную (но пока еще не единую) природу фундаментальных взаимодействии. Именно эта единообразность открывает путь к будущему единству» Ахундов М.Д., Илларионов С.В. Методологический анализ современного этапа развития квантовой теории поля // Методы научного познания и физика. - М.: Наука, 1986. - С. 299. . Но большинство наблюдаемых частиц имеют массу покоя. И это обстоятельство рассматривалось как «кардинальный дефект теории калибровочных полей» Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Физика на пути к единству. - М.: Знание, 1985. - С. 40..

Выход был, как известно, найден на основе идеи спонтанного нарушения калибровочной симметрии, которая позволила поставить и решить задачу создания единой теории электрослабого взаимодействия. И действительно, требование калибровочной инвариантности как «постулата инвариантности» лагранжевой квантовой теории уже позволяло строить теории взаимодействий путем учета «внутренних», то есть связанных с собственными степенями свободы, частиц, типов симметрии кварковых полей. Кроме того, появилась возможность увеличивать число инвариантных аспектов теории квантового поля, вводя в рамках калибровочного подхода в круг рассмотрения этой теории «экзотические» высшие симметрии самого разного типа. Сама калибровочная природа симметрии всех типов фундаментальных взаимодействий позволяла говорить об их единстве между собой, что создавало необходимую предпосылку для теоретической программы их объединения.

Таким путем Вайнберг, Салам и Глэшоу пришли к единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий. Вайнберг С. Идейные основы единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий // Успехи физических наук. 1980. Вып. 2. Т. 132. - С. 202.-217; Гэлшоу Ш. На пути к объединенной теории - нити в гобелене // Успехи физических наук. 1980. Вып. 2. -Т. 132. - С. 219-228; Салам А. Последний замысел Эйнштейна: объединение фундаментальных взаимодействий и свойств пространства-времени // Современная теория элементарных частиц. - М.: Наука, 1984. - С. 14-21. Электромагнитное и слабое взаимодействия в последнее время успешно объединены в единую теорию электрослабого взаимодействия Глэшоу - Вайнберга - Салама на основе калибровочной группы SU(2)хU(1). Наблюдения промежуточных векторных бозонов W⁺, W^- и Z° на протонно антитипротонных встречных пучках является прямым экспериментальным подтверждением данной теории. Характерная её черта - это присутствие спиральных фермионов (фермионные поля являются собственными векторами проекционных операторов 1±г₅), что проявляется как нарушение Р-инвариантности в слабых процессах.

Теория утверждает, что существуют особые частицы - переносчики взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино. Эти частицы названы бозонами W⁺, W^-, Z° и экспериментально обнаружены. Об этом более подробно нами сказано выше. В ее основу положен калибровочный принцип, т. е. инвариантность физически измеряемых величин относительно преобразований других, не измеряемых на опыте (например, потенциалов).

Таким образом, принципами, лежащими в основании единой теории электрослабого взаимодействия и определяющими теоретико-познавательное значение всех важнейших физических понятий (массы, заряда, энергии, импульса, константы связи и др.) категориального аппарата данной теории, являются принцип локально-калибровочной инвариантности и принцип спонтанного нарушения симметрии. Логическая организация теории, упорядочение ее понятийных форм в рамках категориальной структуры теории в существенной степени определяются именно этими принципами. Осознание методологической значимости этих принципов в унификации физических взаимодействий позволило Вайнбергу и Саламу построить непротиворечивую логическую структуру теории, в которой все основные понятийные компоненты строго взаимосвязаны и взаимоопределяемы.

Дальнейшие шаги в процессе построения теории электрослабого взаимодействия связаны с поиском определенной гипотезы о механизме спонтанного нарушения исходной симметрии. Этот механизм известен как механизм Хиггса, в рамках которого ответственным за нарушения симметрии выступают так называемые хиггсовские бозоны, которые, однако, до сих пор не обнаружены экспериментально.

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой (КХД). Эта теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии - они «самозапираются» внутри адронов. Количественная теория такого поведения кварков и глюонов пока не построена, но качественно оно подтверждается компьютерными расчетами.

Создание единой теории электрослабого взаимодействия послужило основой далеко идущего предположения о том, что все известные фундаментальные взаимодействия являются компонентами единого универсального взаимодействия более сложной структуры. На базе этой гипотезы удалось сформулировать программу создания единой теории сильных и электрослабых взаимодействий. «Слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия, - пишет Х. Джорджи, - отличаются величиной, радиусом действия и другими характеристиками. Как можно описать их, исходя из некоторого единого взаимодействия? Единая теория не пытается скрыть эти различия, она лишь утверждает, что они не являются фундаментальными. Эти различия заметны в основном из-за того, что Вселенная в настоящее время находится в холодном состоянии и частицы в среднем обладают низкой энергией. Если бы представилась возможность провести эксперименты при сверхвысоких энергиях, искомое единство предстало бы перед нами во всей простоте и очевидности» Джорджи Х. Единая теория элементарных частиц // Успехи физических наук. 1982. Т. 132. Вып. 2. - С. 288..

Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть Стандартной Моделью или теорией «Великого объединения» (ТВО). Эта сложная, противоречивая, но уже почти законченная феноменологическая теория - главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются многие задачи микрофизики. «Великое объединение» - так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории «Великого объединения» хорошо объясняются многие очень важные явления, такие, как, например, наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа магнитных монополей Дирака. Торжеством этой теории было бы обнаружение распада протона. По последним данным, среднее время жизни протона больше 1,6*10³³ лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей «Великого объединения» приведет к соединению всех фундаментальных взаимодействий, включая и гравитационное (Суперобъединение) и созданию единой теории поля.

Трудности «Великого объединения» многие связывают с тем, что пренебрегать гравитацией на этом пути нельзя См.: Матинян С.Г. На пути объединения слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий // Успехи физических наук. - 1980. Т. 130. Вып. 1. - С. 3-38.. «Представляется интересным обратить внимание, - пишет по этому поводу С. Вайнберг, - на следующее поразительное обстоятельство, хотя при получении формулы..., которая дает оценку энергетического масштаба, характерного для теорий большого объединения, никак не учитывалась гравитация, получился результат, который всего лишь немногими порядками отличается от планковской массы, равной 10¹⁹ ГэВ. Этот факт подсказывает нам, что, быть может, существует определенная связь между гравитационным взаимодействием и спонтанным нарушением калибровочной симметрии большого объединения. Очень возможно, что слишком наивна сама идея такого объединения калибровочных теорий без включения гравитаций» Вайнберг С. За рубежом первых трех минут // Успехи физических наук. 1981. Т. 134. Вып. 2. - С. 352..

И, действительно, на такую возможность указывает идея спонтанного нарушения симметрии, анализ которой приводит к выводу о том, что в построении единых обобщенных теорий физических взаимодействий затрагиваются целостные, интегральные свойства рассматриваемых объектов. В этом плане идея спонтанного нарушения симметрии объединяет подходы Гейзенберга и Эйнштейна, фиксируя необходимость, наряду с анализом свойств каждого элемента, рассматривать свойства всей системы как целого, то есть в методе спонтанного нарушения симметрии содержится два момента - интегральный, рассматривающий объект со стороны целостности, и элементный, опирающийся на анализ отдельных элементов, на поиск и фиксацию логических свойств отношения тождества между элементами. Массы, встречающиеся в теории великого объединения, меняются в огромном диапазоне: от нескольких электрон-вольт (возможная масса нейтрино) до 10¹⁵ ГэВ. В рамках данных теорий пока нет удовлетворительного объяснения такой иерархии масс. В теории «Великого объединения» гравитация не вписывается естественным образом, так как переносчиками взаимодействия в этих теориях являются калибровочные векторные поля спина 1, в то время как кванты гравитационного поля (гравитоны) имеют спин 2.

Включение гравитации в единую теорию фундаментальных взаимодействий требует прежде всего построения квантовой теории тяготения. Определенные надежды в этой области связываются с супергравитацией. Супергравитация представляет собой теорию с локализованный калибровочной суперсимметрией.

В этом направлении физики актуальной является также проблема обнаружения гравитационных волн. Несмотря на то, что гравитационные волны пока не обнаружены, мало кто сомневается в их существовании. Существование гравитационных волн представляется особенно очевидным, если иметь в виду, что общая теория относительности является обобщением ньютоновской теории всемирного тяготения, аналогичным переходу от электростатики к электродинамике. Под влиянием гравитационных волн твердые тела деформируются и начинают колебаться, а в системе свободных тел меняются взаимные расстояния. До настоящего времени, в первую очередь из-за крайней слабости гравитационного взаимодействия, гравитационные волны не обнаружены. Гравитационное взаимодействие много слабее остальных фундаментальных взаимодействий. Гравитационное притяжение двух протонов в 10³⁶ раз слабее их кулоновского отталкивания. Поэтому мощность гравитационного излучения тоже очень мала.

Попытки обнаружить гравитационные волны продолжаются. Имеется косвенное подтверждение существования гравитационных волн. Если рассчитать энергию излучения двойных пульсаров, то образуется дефицит энергии. Предполагается, что этот дефицит и есть энергия, излучаемая пульсаром в виде гравитационных волн.

Но уравнения, описывающие гравитационное поле (четвертое взаимодействие), - классические, то есть не квантовые. Они служат приближением к истинным квантовым уравнениям и перестают работать на очень малых расстояниях и при очень больших энергиях. И если с квантованием электромагнетизма ученые справились довольно спокойно, то с квантованием гравитации до сих пор не все так гладко. Разрабатываемые теории оказались внутренне противоречивыми. Классические гравитационные уравнения в общей теории относительности на малых расстояниях порядка 10^-33 см отказывают. Притом гравитация описывает не свойства пространства-времени, а его само. Поэтому была сделана математическо-физическая придумка, названная струной. Например, ОТО допускает, что в исходном состоянии, при рождении Вселенной, вещество было стянуто в точку и обладало бесконечно большой плотностью. Это состояние названо космологической сингулярностью. А квантовая механика утверждает, что такое невозможно, исходное состояние вещественной Вселенной - это глубинная область квантово-гравитационного состояния, в которой классические представления ОТО не работают. «Для описания протекающих в этой области процессов необходимо создать теорию, объединяющую квантовую механику с гравитацией. Но гравитация выпадает из рамок квантовой теории, поскольку считалось, что она не квантуется. Возникло понимание того, что подобные проблемы в принципе невозможно решить, если придерживаться модели точечности элементарных частиц. Необходима новая теория, учитывающая размерность таких частиц. Одним из предлагаемых решений проблемы стала теория струн.

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в глубинах материи существует область бушующих квантовых флуктуаций. Верхней границей области мощных квантовых флуктуаций служит размер 10^-33 сантиметра (планковская длина). Возможно, что здесь начинается область темной энергии, в которой вещество в явном виде присутствовать не может. Но оттуда рождаются струны, которые становятся основой вещества Вселенной». Ровинский Р.Е. Мировоззрение проблемы физической науки, наследуемые ХХ веком // Вопросы философии. 2008. № 3. - С. 131.

Точка зрения на теорию струны как на теорию, претендующую на объединение фундаментальных взаимодействий, появилась в работах Дж. Шерка и Дж. Шварца (1974 год). Эти ученые обратили внимание на то, что безмассовая частица со спином 2 может быть только гравитоном, и значит, теория струн может включать в себя гравитацию. Наличие гравитона - неизбежное свойство любой теории струн, поэтому такая теория объясняет существование гравитации. При этом наличие высших измерений рассматривалось как определенное достоинство и трактовалось в духе идей Калуцы - Клейна о том, что лишние пространственные измерения могут быть ответственными за внутренние симметрии теории, и значит, за принципы систематизации элементарных частиц.

Представление о релятивистской струне возникает в андронной физике, помимо дуальных моделей, и в рамках квантовой хромодинамики. Весьма вероятно, что при расстоянии между кварками, приближающемся к размерам ядра (~10^-13 см), энергетически более выгодными оказываются такие конфигурации глюонных полей, когда эти поля не заполняют все пространство (как в электродинамике), а концентрируются вдоль линий, соединяющих кварки. Энергия двух кварков, связанных такой трубкой глюонного поля, пропорциональна расстоянию между ними.

Следовательно, силы притяжения между кварками не убывают с расстоянием, а остаются постоянными. Поэтому никакое внешнее воздействие не может разорвать эту связь и привести к рождению свободного кварка. Причина возникновения связей, локализованных вдоль линии конфигураций глюонного поля, - это вакуумные поля в квантовой хромодинамике, которые создают внешнее давление на глюонную трубку. Эти локализованные конфигурации глюонного поля моделирует релятивистская струна (поперечные размеры глюонной трубки считаются бесконечными). Релятивистская струна значительно проще, чем такая сложная квантово-полевая модель, как хромодинамика, вместе с тем струнная модель воспроизводит основные предсказания, полученные в полевом подходе. В частности, релятивистская струна, связывающая массивные частицы, приводит к потенциалу между ними, линейно растущему с расстоянием (потенциал стирания кварков).

Дальнейший интерес к теориям струн реально возник в 1984 году, после того, как Джон Шварц вместе с Майклом Грином доказали См.: Грин Б. Суперструны // В мире науки. 1986. № 10. - С. 11-19., что две конкретные теории струн прошли проверку на математическую непротиворечивость, что не удавалось показать в ранее изучавшихся струнных теориях. Теория струн далека от завершения, но даже в существующем виде она позволяет получить принципиально важные результаты, которые невозможно извлечь ни из классической физики, ни из квантовой механики. История и сегодняшнее состояние этой теории без привлечения математики подробно описаны в известной книге Брайана Грина «Элегантная Вселенная». В ней отмечается «возникновение совсем молодой науки суперструнной космологии, и эта наука (по словам Грина), без сомнения, будет объектом пристального внимания исследователей в течение ближайших лет. Эти исследования, возможно, убедят нас в существовании предела научного познания, но возможно и обратное: они возвестят о новой эре, в которой фундаментальное объяснение Вселенной будет, наконец, найдено». Грин Б. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. - М.: Наука, 2004. - С. 17-18.

Для этого пришлось ввести понятие суперструны. Важнейшим свойством суперструны является так называемая суперсимметрия, собственно и давшая название модели. Суперсимметрия представляет собой особое расширение релятивистской симметрии специальной теории относительности таким образом, что бозоны и фермионы перестают быть независимыми типами частиц, а оказываются связанными между собой. Суперструна Грина - Шварца может претендовать на роль теории всего. В ней объединены бозоны и фермионы, в ней содержится гравитация, она предсказывает способ классификации элементарных частиц.

Суперструны - это одномерные релятивистские объекты, длина которых порядка планковских масштабов (10^-33 см). Помимо линейных размеров, суперструны характеризуются и спиновыми (фермионными) степенями свободы, распределенными вдоль струн. Число физических фермионных степеней свободы как раз равно числу бозонных степеней свободы, что и обеспечивает суперсимметрию всей теории См.: Барабашов Б.М., Нестеренко В.В. Суперструны - новый подход к единой теории фундаментальных взаимодействий // УФН. 1986. Т. 150. Вып. 4. - С. 489-521..

Последовательная квантовая теория суперструн формулируется в четырехмерном пространстве-времени Минковского. В силу ряда причин, механизм которых еще не вполне ясен, происходит компактификация 6 измерений до планковских размеров.

Суперструны органически вписываются в современную теорию элементарных частиц. С точки зрения предсказаний, они переходят в низкоэнергетическом полевом пределе в суперсимметричные теории «Великого объединения». Основными преимуществами суперструнного подхода являются следующие:

1. Суперструны позволяют объединить все фундаментальные взаимодействия, включая и гравитацию.

2. Они практически однозначно фиксируют основную калибровочную группу в теории «Великого объединения».

3. Четырехмерность нашего мира в суперструнном подходе трактуется как следствие динамических уравнений этой теории.

4. В идеальном случае теория будет включать всего два фундаментальных параметра: натяжение струны Т и одну из констант.

«В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что дуальности между различными струнными теориями являются свидетельством, что все они различные пределы одной теории. Каждый из них имел свою применимость, и различные пределы разных описаний пересекаются. Эта фундаментальная теория, которую назвали М-теорией, есть именно та теория, различные фазы которой может описывать каждая из пяти теорий суперструн - десятимерия». Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. - М.: Мир, 1990. - 364 с.

В связи с последними интересными достижениями этой теории, в частности с установлением факта, что в основе всех суперструнных теорий лежит одна или, вернее, что все теории, в принципе, сводятся к единой теории поля, названной М-теорией, начинает вырисовываться совершенно новая физика. Вполне возможно, что хотя эта теория пока еще не представляет собой единую теорию поля, но все же она близка к тому, чтобы именоваться таковой.

Квантовая теория суперструны строится в десятимерном пространстве-времени, причем шесть пространственных измерений компактифицированы, то есть «скручены» в области с размерами 10^-33см. Примечательной особенностью суперструн является то, что они органически вписываются в современную теорию элементарных частиц, базирующуюся на калибровочных теориях поля и суперсимметрии. При энергиях меньше 10¹¹-10¹³ Гэв суперструнные теории переходят в квантовую теорию поля с фиксированной группой См.: Нестеренко В.В. Релятивистские струны: от мыльных пленок к объединению фундаментальных взаимодействий //Природа. - 1986. №11. - С. 12-19.. Последнее характеризует определенный вариант теории «Великого объединения». В теоретической модели «Великого объединения» предполагается возможность слияния констант связи электрослабого и сильного взаимодействий при сверхвысоких энергиях, абсолютно недостижимых ни в земных ускорителях будущего, ни в космических лучах; соответствующая константа связи GU ?1/40, что проявляется при энергиях 10¹⁵ ГэВ (10^-29 см) и больше. «Модели суперобъединения непосредственно связаны с проблемами космологии и космогонии, т. е. с возрастом и другими параметрами Вселенной. Суперобъединение подразумевает унификацию всех фундаментальных сил природы. Появились различные «сценарии» (модели) жизни Вселенной, стремящиеся теоретически выявить связь между элементарными частицами, вакуумом и гравитацией». Князев В.Н. Философия физики. // Философия науки. Методология и история конкретных наук. - М.: КАНОН, 2007. - С. 109-110. Это обстоятельство снимает проблему выбора группы симметрии для объединения известных физических взаимодействий, в чем, пожалуй, и состоит одно из основных преимуществ теории суперструн. Однако на этом пути много еще нерешенных проблем, главной из которых, по мнению многих, является отсутствие экспериментальных указаний на существование суперструн. Поэтому одними из важных критериев оценки истинности различных суперсимметричных теорий на данный момент выступают такие эстетические критерии, как внутренняя красота и математическое изящество, заключающие в себя как необходимый элемент и свою противоположность - беспорядок (нарушение симметрии). Истина и симметрия в этих моделях оказались глубоко связанными друг с другом, что, видимо, служит могучим источником вдохновения для физиков, работающих в этой области.

В микромире известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской или гравитационной длиной 1 = 1,610^-33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует. Совместно с планковским временем t=10^-43 с они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. Эти величины длины, времени и энергии, как отмечалось выше, получили название планковских масштабов. Их смысл состоит в том, что они определяют ту границу, до которой применима современная физическая теория. На меньших масштабах перестают работать причинно-следственные связи, и ничего нельзя сказать ни о структуре пространства, ни о поведении времени. Существует гипотеза о том, что на расстояниях порядка гравитационного радиуса (10^-33 см) или, что то же самое, при энергиях около 10¹⁹ ГэВ силы всех взаимодействий сравниваются и получается единое сильное поле. Поэтому можно ожидать, что в будущем появится единая теория всех взаимодействий, т. е. единая теория поля.