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

Поскольку методологические исследования формиро­вания новой физической исследовательской программы в квантовой релятивистской физике уже проведены [12, 290—302}, мы не будем хронологически прослеживать ход революционных изменений в этой области Попытаемся лишь сравнить интертеоретический фон существования квантовой электродинамики как фундаментальной физи­ческой теории, созданной на основе предыдущей квантово-полевой программы, с интертеоретическим фоном функцио­нирования новой программы и связанного с ней комплек­са унитарных калибровочных теорий Описывав каждую из этих теорий, мы будем пытаться сопоставлять теорети­ческие положения и принципы с соответствующими им по­ложениями физической картины мира и их философскими основаниями, а также прослеживать реализацию и транс­формацию методологических принципов физики.

В первой физической теории, соединившей в себе кван­товые и релятивистские принципы — квантовой электроди­намике, центральным выступало понятие квантованного по­ля. Абстрактный объект, соответствующий этому поня­тию, описывался уравнениями Максвелла — Дирака и предполагал осуществление процедуры вторичного кван­тования. Этот объект был образован за счет заимствова­ния идеализированных объектов квантовой механики я классической электродинамики и погружения их в новую сеть отношений, обусловленных релятивистскими эффек­тами [68, 221]. При этом использовались идеализирован­ные допущения о точечности частиц и локальности взаи­модействий Эти допущения приводили к расходимостям при решении уравнений Максвелла — Дирака методом теории возмущений Принцип перенормировки удалял бес­конечные значения членов ряда теории возмущений благо­даря приравниванию эффективных значений массы и энер­гии электрона экспериментально найденным их значени­ям. При этом из бесконечностей в ряду теории возмуще­ний вычитаются бесконечные значения энергии и массы невзаимодействующего точечного электрона.

В физической картине мира данным теоретическим по­ложениям соответствуют представления о динамической структуре элементарных частиц (электрона и позитрона), представляющей собой окружающую точечный электрон «шубу» виртуальных частиц, рождающихся и поглощаю-

щихся физическим вакуумом вследствие его поляриза­ции электроном. Таким образом электрон оказывается «эффективно размазан» по определенному объему, что снимает теоретические проблемы, связанные с его точечностью.

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

Философское истолкование способа существования виртуальных квантов полей как особого типа существо­вания на грани возможного и действительного способство­вало объединению в категориальной структуре квантовой электродинамики категориальных структур квантовой ме­ханики [10, 168]:

Причина — Следствие

| |

Необходимость — Случайность

| |

Возможность (Действительность)

с категориальной структурой специальной теории относи­тельности [10, 148]:

Пространство — Время

| |

Движение — Материя

В категориальной структуре квантовой электродинамики 130, 114—121]:

Причина — Следствие

| |

Необходимость — Случайность

| |

Возможность — Действительность

| |

Прерывность — Непрерывность

| |

Материя — Движение

| |

Пространство — Время

связь категориальных структур синтезируемых теорий опосредуется единством прерывности и непрерывности, что знаменует объединение дискретности и континуально­сти, традиционно связанных с понятиями частиц и полей.

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

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

Таков был интертеоретический фон существования квантовой электродинамики в конце 40-х гг., взятый на его метатеоретическом уровне. Теоретический уровень интер­теории был представлен классической электродинамикой, квантовой механикой и специальной теорией относитель­ности, соответствующими математическими теориями. Уникальное совпадение предсказаний теории с экспери­ментом (в частности, объяснение расщепления линий в спектре атома водорода—«лэмбовский сдвиг»), сомнения

по поводу правомерности процедуры перенормировки и неудачи попыток применения методов квантовой электро­динамики для теоретического отражения других типов взаимодействий определяли интертеоретический статус электродинамики как удачной, но, возможно, противоре­чивой теории. Поэтому попытки создания абстрактной ба­зисной теории квантовой релятивистской программы осу­ществлялись за счет элиминации одной из сторон противо­речивой природы квантованного поля как центрального абстрактного объекта квантовой электродинамики. Речь шла либо об отказе от полевых представлений (аналити­ческая теория S-матрицы), либо о более последователь­ном их проведении (общие теории квантованных полей). Однако эти последовательно односторонние теоретические концепции оказались даже несопоставимыми с экспери­ментом, как и нелокальные теории поля, в которых авто­матически удалялись расходимости, но столь же автома­тически нарушался принцип причинности.

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

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

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

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

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

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

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

Оказалось, что квантовая электродинамика и была ис­торически первой теорией с локальной калибровочной сим­метрией (произвольность выбора фазы квантованного электронно-позитронного поля). Вообще калибровочные преобразования имели место еще в классической электро-

динамике, где они оставляли неизменными физические ха­рактеристики поля при изменении значения некоторых па­раметров. Так, сила тока определяется разностью потен­циалов, и поэтому, прибавляя или отнимая определенные значения потенциала, мы не меняем силы тока. Соот­ветственно может проводиться калибровка приборов, от­куда и происходит название данных преобразований.

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

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

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

Главное же состоит в том, что инвариантность относи­тельно локального преобразования требует введения в теорию компенсирующих векторных бозонных полей (ка­либровочных полей). Эти поля (и их кванты-бозоны) и являются переносчиками взаимодействий. Такими проме­жуточными векторными бозонами в квантовой электро­динамике как теории электромагнитных взаимодействий являются фотоны, в квантовой хромодинамике как теории сильных взаимодействий — глюоны, а в теории электро­слабых взаимодействий в качестве переносчика слабого взаимодействия выступают W ± и Z °-бозоны.

Наглядный образ поможет нам понять, как локальная калибровочная симметрия приводит к введению сил. Представим себе резиновый шарик с нанесенной на нем сеткой параллелей и меридианов (как на глобусе). Вращая

его вокруг оси. мы осуществляет глобальные преобразова­ния симметрии. Но если мы нажмем пальцем на поверх­ность резинового шарика, то нарушим симметрию локаль­но, симметрия восстановится за счет компенсирующей на­жим упругости резины [74].

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

Однако при всей важности принципа симметрии для калибровочных теорий взятый сам по себе он не приводил к успеху. Дело в том, что требование локальной калибро­вочной инвариантности влечет за собой вывод об отсутст­вии массы у промежуточных векторных бозонов, что соот­ветствует действительности только для фотонов. Пере­носчики сильного и слабого взаимодействия весьма мас­сивны. Таким образом, взятые в отдельности физические взаимодействия оказались невыводимыми из принципа симметрии. А поскольку идея симметрии всегда ассоции­ровалась с гармоничной простотой природы, то возникали сложные методологические и мировоззренческие пробле­мы применения этой идеи в теории. Вот как формулировал эти проблемы в своей нобелевской лекции С. Вайнберг: «...если принципы симметрии служат проявлением просто­ты природы на ее глубочайшем уровне, то каким образом может возникать такое понятие, как приближенная сим­метрия? Неужели природа только приближенно проста?» [20, 38].

В конце 50-х годов в физику элементарных частиц из физики твердого тела была перенесена идея «нарушенной симметрии», заключавшаяся в том, что «гамильтониан и коммутационные соотношения могут обладать точной

симметрией, и тем не менее физические состояния могут не отвечать представлениям этой симметрии» [20, 38}. В результате совместной работы Вайнбергу, Голдстоуну и Саламу удалось показать, что в случае спонтанного на­рушения таких внутренних симметрий, как изоспин или странность, появляются безмассовые голдстоуновские бозоны. Однако вскоре Хиггс и др. показали, что если нару­шенная симметрия выступает локальной калибровочной, то голдстоуновские бозоны могут быть устранены калибро­вочным преобразованием и «поэтому они не появляются в виде настоящих физических частиц Вместо этого про­павшие голдстоуновские бозоны проявляются как обла­дающие нулевой проекцией спина па направление движе­ния состояния векторных частиц, приобретающих т о массу» [20, 38—39]. Однако все эти результаты рассмат­ривались как чисто методические возможности, пока они не были применены к единому описанию электромагнит­ных и слабых взаимодействий Важную роль здесь сыграл принцип перенормируемости, позволявший выбрать из бес­конечного разнообразия математически возможных теорий физически осмысленные и сопоставимые с экспериментом:

«как только выбрано «меню» полей в теории, все дета­ли ее полностью определяются принципами симметрии и псренормируемостью, если задать еще несколько свобод­ных параметров» [20, 43].

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

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

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

Оказалось, что при сверхвысоких температурах посто­янные, характеризующие интенсивность физических взаи­модействий, меняют свои значения, становятся «бегущи-

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

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

Исторически такие условия существовали в нашей Все­ленной на самых ранних стадиях ее развития, в первой сотой доле секунды после Большого взрыва. Этот процесс нарушения симметрии в результате понижения температу­ры в расширяющейся Вселенной С Вайнберг поясняет аналогией с замерзающей водой. Симметрия между элек­тромагнитными и слабыми взаимодействиями резко нару­шается при температуре ниже критической, подобно тому как при переходе через точку замерзания молекулы воды занимают определенное положение в пространстве и на­рушается симметрия между различными точками прост­ранства, связанная с равной вероятностью нахождения в них молекул жидкой воды [21, 133—134]. Дальнейшее расширение пространства Вселенной, сопровождающееся ее остыванием, создает условия для сохранения этой на­рушенной симметрии, как и других, и соответственно для сохранения ставшего многообразия фундаментальных фи­зических взаимодействий и их носителей, послуживших генетической и структурной основой дальнейшего развер­тывания процессов развития материи.

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

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

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

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

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

Значит, новая физическая исследовательская програм­ма оказалась программой описания развивающихся объек­тов. А если учесть, что в качестве такого объекта в космо­логических приложениях теории оказывается наша Все-

ленная (в известном смысле—мир), то можно предста­вить, с какими сложными мировоззренческими и методо­логическими проблемами столкнулись физики и космо­логи.

Многие из мировоззренческих и философских проблем космологии возникают при формулировке вопросов, очер­чивающих границы современного научного познания. Это предельные вопросы, сама парадоксальная форма кото­рых («что было, когда ничего не было?», «возможно ли рождение Вселенной из ничего?») свидетельствует о том, что они задевают границы осмысленности конкретно-науч­ных утверждений. Поскольку пределы смысла в человече­ском мышлении задаются его категориальной структурой, корректная постановка и решение подобных предельных вопросов познания требуют как четкого различения со­держания философских категорий и естественнонауч­ных понятий, так и указания на способы их связи. Так, на­пример, существенный прогресс в понимании проблемы бесконечности Вселенной был достигнут благодаря разли­чению понятий бесконечности материи как ее неисчерпае­мости, в том числе неисчерпаемости ее пространственно-временных форм, и бесконечности Вселенной [34, 67—68]. В частности, это позволило выделить в собственно космо­логической проблеме бесконечности Вселенной аспекты неисчерпаемости множества миров-вселенных и аспект метрической конечности (или бесконечности) пространст­ва времени Вселенной (в однородной и изотропной ее мо­делях).

В ситуации все более надежного обоснования концеп­ции множественности миров в современной космологии чрезвычайно полезным, на наш взгляд, является философ­ское различение понятий «мир» и «универсум», проведен­ное С. Б. Крымским и В. И. Кузнецовым [42, 222]. При этом в качестве воплощения всей полноты возможностей существования материи выступает уже не мир, а универ­сум. Мир же рассматривается как особое состояние мате­рии, задержанное в своей особенности, обладающее типич­ными для него закономерностями в их гармоничной взаи­мосвязи и приводящее в своем развитии к появлению жиз­ни и общества.

Это обстоятельство позволяет рассматривать мир как отдельное и по-новому ставить вопрос о целостности мира как физической системы. Возможность осмысленной пос­тановки такого вопроса по отношению к миру как стано­вящемуся целому открывается в методологии современной физики благодаря тому, что здесь осуществляется переход

к новым критериям целостности систем, определяемый рассмотрением неравновесных самоорганизующихся струк­тур. Для того чтобы корректно проанализировать те фило­софские проблемы, которые были нами лишь бегло отме­чены как моменты интертеоретического фона реализации новой физической исследовательской программы, следует вовлечь в контекст этого расстояния синергетику как ис­следовательскую программу теоретического освоения процессов самоорганизации