Физическая картина мира: классика, неклассика, постнеклассика

РАДЖАБОВ О.Р.
ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА В АСПЕКТЕ КЛАССИЧЕСКОЙ,
НЕКЛАССИЧЕСКОЙ И ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЙ
РАЦИОНАЛЬНОСТИ
Москва
Издательство «Прометей» МПГУ
2010
2
УДК 001.5
ББК 87, в
Р 12
Рецензенты:
доктор философских наук, профессор, проректор
ДГТУ Ю.Н. Абдулкадыров,
доктор физико-математических наук, профессор,
зав. кафедрой общей физики ДГУ М.К. Гусейханов
заместитель председателя ДНЦ РАН,
доктор физико-математических наук, член-кор. РАН
А.К. Муртазаев
Раджабов О.Р.
Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и
постнеклассической рациональности: Монография – М.: МПГУ, «Прометей»,
2010. – 316 с.
В монографии дается философско-методологический анализ
становления основных этапов физической картины мира в свете классической, неклассической и постнеклассической рациональности. Рассматриваются основные идеи и логика становления физических картин мира,
определен способ их функционирования в системе философских и
физических знаний.
Предназначена для философов, преподавателей вузов, аспирантов и
студентов, а также для всех интересующихся философскими, методологическими и мировоззренческими проблемами науки и современного
естествознания.
ISBN 978-5-94845-205-0
© Раджабов О.Р., 2010
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................5
1. ГЕНЕЗИС ПЕРВЫХ НАУЧНЫХ КАРТИН МИРА КАК
ИТОГ ФОРМИРОВАНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ
РАЦИОНАЛЬНОСТИ ........................................................................13
1.1. Историческая преемственность и рациональный смысл
понятия «физической картины мира» в науке и философии ........13
1.2 Механистическая картина мира как первая научная картина
мира: генезис, сущность и закономерности становления ..............29
1.3. Электромагнитная картина мира классической физики в свете
классической рациональности ..........................................................57
2. КВАНТОВО-РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КАРТИНА МИРА
КАК ОСНОВА ФОРМИРОВАНИЯ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ
РАЦИОНАЛЬНОСТИ ........................................................................75
2.1. Формирование логической структуры релятивистской
картины мира как важный этап становления
неклассической рациональности ......................................................75
2.2. Квантовая картина мира: сущность и особенности
становления .........................................................................................94
2.3. Квантово-релятивистская физическая картина мира как
синтез квантовой и релятивистской парадигм физики ................114
3. НЕЛИНЕЙНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА:
ГЕНЕЗИС И ИДЕЙНЫЕ ОСНОВЫ .............................................132
3.1. Парадигма самоорганизации и новые стратегии
научного поиска................................................................................132
3.2. Хаос, случайность, неустойчивость как конструктивные
механизмы построения нелинейной картины мира .....................155
3.3. Глобальный эволюционизм как основа и стратегия
формирования нелинейной физической картины мира и нового
типа научной рациональности .......................................................174
4
4. КОНЦЕПЦИЯ ВАКУУМА В КАРТИНЕ МИРА
СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ ...........................................................193
4.1. Становление парадигмы физического вакуума в структуре
cовременной физической картины мира .......................................193
4.2. Спонтанное нарушение симметрии вакуума и инфляционные
сценарии развития Вселенной в современной космологии .........215
4.3. Структурные уровни организации вещества в контексте
современной вакуумной картины мира .........................................238
4.4. Роль понятия вакуума в формировании единой теории
фундаментальных физических взаимодействий ...........................265
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................293
ЛИТЕРАТУРА ...................................................................................303
5
ВВЕДЕНИЕ
В условиях современного научно-технического прогресса,
когда неуклонно возрастает роль науки как феномена человеческой
культуры в жизни общества, дальнейшая разработка философскометодологических проблем научного познания приобретает
актуальное значение. В силу этого, наряду с фундаментальными
проблемами, ставшими уже классическими, выдвигаются новые
проблемы, связанные с логикой и методологией науки и научного
поиска, анализом процесса получения нового знания. Особую
важность приобретает теоретико-познавательный анализ проблем,
связанных со становлением и дальнейшим развитием новых идей,
теорий и научных картин мира, в которых большую значимость
приобретают идеи целостности, единства мира и человека,
глобального эволюционизма. Утверждение в современной науке
этих идей знаменует собой становление нового взгляда на мир и на
самого себя в этом мире. Происходит изменение сути диалога
человека с человеком и человека с природой, в рамках которого
естествознание становится более «гуманитарным», а сложный мир
человеческой субъективности обретает черты новой научной
рациональности. Логика развития науки приводит не только к
понятию научной картины мира, но и к выявлению ее роли в
механизме развития науки.
Понятия «научная картина мира», «физическая картина мира»
стали активно использоваться в публикациях по философским
проблемам естествознания с конца XIX - начала XX в. Проблему
физической картины мира обсуждали тогда такие физики, как Г.
Герц, Л. Больцман, М. Планк, П. Дюгем и др. «В современной
философской и естественнонаучной литературе нет единого
понятия научной картины мира, а есть целое «гнездо понятий».1 Но
для анализа философских проблем, порождаемых физикой, нужна
культура уже не только физического, но и философского
мышления. Эту культуру лучшие умы Европы вырабатывали на
протяжении 25 веков. Стало очевидным, что понять и преодолеть
многие гносеологические проблемы, которые порождаются самим
прогрессом науки, невозможно
без глубокой философской
1
Микешина Л.А. Детерминация естественнонаучного познания. - Л., 1977. - C. 7.
6
культуры1. С тех пор понятие научной картины мира никогда не
исчезало со страниц публикаций, в которых обсуждались
принципиальные вопросы методологии и теории познания2, 3.
Важно отметить, что практически любая форма общественного
сознания так или иначе формирует свою особую картину мира обыденную, мифологическую, религиозную, эзотерическую и т. п.
Все они выполняют свои особые задачи, удовлетворяя конкретные
потребности человечества, комплексно познающего мир,
действительность. Поэтому в любой конкретный период времени в
данном обществе можно выявить целый ряд разнообразных картин
мира. Однако именно научные картины мира стремятся дать
целостные
и
максимально
обобщенные
реалистические
представления о мире в целом, а также о месте человека и
человеческих сообществ в нем. Здесь можно выделить
естественнонаучные, технические и гуманитарные картины мира.
Развитая естественнонаучная картина мира состоит из физической,
химической, геологической, биологической и т. п. частных картин
мира, представленных конкретными естественными науками.
Научную картину мира следует понимать как широкую
панораму современных знаний о природе, включающую в себя
наиболее важные факты, гипотезы, теории. В этом понимании
научная картина мира выступает в виде концентрированного
энциклопедического обзора. Функциональное назначение такого
рода суммарного знания видится в обеспечении синтеза знания,
связи различных разделов естествознания или в частном случае разделов физики. При этом есть расхождения в понимании того,
для чего необходим такой синтез: одни считают, что он нужен в
плане методологическом, обеспечивая интеграцию научного
знания, другие - что он нужен, скорее, в плане психологическом,
помогая преодолевать узкую специализацию современных
исследователей4. Данное понятие с самого начала носило ярко
выраженный метафорический характер. В это понятие вовсе не
вкладывалось содержание термина «картина» в том смысле, в
котором этот термин употребляется в теории художественного
познания, а, говоря о мире, имели в виду фрагменты объективной
Левин Т.Д. Современный релятивизм // Вопросы философии. 2008. № 8. - С. 81.
См.: Григорьян А.Т., Вяльцев А.Н. Генрих Герц. – М.: Наука, 1968. - 238 с.
3
См.: Планк М. Единство физической картины мира. – М.: Наука, 1966. - 287 с.
4
См.: Бляхер Е.Д., Волынская Л.М. «Картина мира» и механизмы познания. – Душанбе, 1976. – 264 с.
1
2
7
реальности.
Развитие науки, и, прежде всего физики, как способа познания,
позволило построить некие модели - системы понимания и
описания картины мира на основе существующего знания. «Физика
родилась в прошлом столетии под знаком неизменности и
геометричности. Ее идеалом в молодости было найти
математическое объяснение мира как системы стабильных
элементов, находящейся в замкнутом равновесии. А затем, как и
вся наука о реальности, она вынуждена была самим ходом своего
развития стать историей. Сегодня позитивное познание вещей
отождествляется с изучением их развития»1.
На разных этапах развития научного познания были построены
механистическая, электромагнитная, квантово-релятивистская,
синергетическая картины мира, для которых были характерны
новые идеалы и нормы научного мышления классической,
неклассической и постнеклассической рациональности.
Это
отражает лишь бесконечный процесс познания, приближения к
единой эволюционной
картине мира и обуславливает
принципиальную незавершенность научной картины мира.
Современная наука пытается переосмыслить
познанное,
преодолевая необъясненные парадоксы и стереотипы мышления,
создавая новую мировоззренческую парадигму. Следует признать
значимость каждого из существенных этапов становления, развития
и смены физических картин мира как принципиальных
свидетельств саморазвития физического познания. С учетом
усиливающейся математизации и теоретизации физики (и,
следовательно, известного отхода от экспериментальной базы) ее
концептуальные построения становятся все более динамичными.
«Изменяется значимость таких познавательных процедур, как
идеализация и формализация, интерпретация и понимание. При
этом, признавая в качестве основной формы развития физического
познания именно фундаментальную теорию, необходимо выявить
конкретное влияние на ее становление и развитие самих изменений
в научной картине мира».2
Идеи о схематизирующей роли физической картины мира
отмечались многими создателями современной науки (Н. Бором, М.
1
2
Пьер Тейер де Шарден. Феномен человека. - М.: Наука, 1987. - 48 с.
Акчурин И.А. Единство естественнонаучного знания. – М.: Наука, 1974. - 207 с.
8
Борном, В. Гейзенбергом). Они рассматривали развитие
физической картины мира как результат обнаружения в процессе
познания новых свойств и аспектов природы, не учтенных в
прежней физической картине мира. В этом случае ясно
обнаруживались недостаточность и схематичность прежних
представлений о природе, и они перестраивались в новую
физическую картину мира. «Открытие Планка, - писал Н. Бор, говорившее о том, что все физические процессы характеризуются
несвойственными механической картине природы чертами
прерывности, вскрыло тот факт, что законы классической физики
являются идеализациями, которые применимы к описанию явлений
лишь тогда, когда участвующие в них величины размерности
действия достаточно велики, чтобы можно было пренебречь
величиной кванта. В то время как в явлениях обычного масштаба
это условие выполняется с большим запасом, в атомных процессах
мы сталкиваемся с закономерностями совершенно нового типа…».1
Именно это обстоятельство потребовало отказа от механической
картины мира. Н. Бор, обобщая опыт исторического развития
физики, отмечал, что «каждая физическая картина мира имеет свои
границы, но пока мышление не наталкивается на преграды
внешнего мира, эти границы не видны. Они обнаруживаются самим
развитием физики, открытием новых фактов, выявляющих
действие новых законов природы».2 Открытие таких границ
картины мира ведет к расширению и углублению знания и
открывает новые пути изучения мира. Что же касается процесса
смены картины мира, то между старой и новой системой
представлений об исследуемой реальности всегда существует
определенная преемственность. Так, ломка механической картины
мира не отменила самой идеи атомистического строения вещества,
хотя и изменила старые представления об атомах как о неделимых
корпускулах. В современной физической картине мира значительно
расширились представления о типологии физических объектов, но
представления о том, что существуют особые агрегатные состояния
вещества, сохранились и на современном этапе. Позднее идея
преемственности в развитии научной картины мира была
1
2
Бор Н. Математика и естествознание // Избр. научн. тр. Т. II. - М., 1971. - С. 500-501.
Бор Н. Физика в жизни моего поколения. - М., 1963. – С. 411-412.
9
прослежена на материале не только физики, но и других наук и тем
самым была обоснована в общем виде.
И далее возникавшие в истории все новые и новые физические
картины мира сменяют друг друга, каждый раз уточняя понимание
мироустройства
с
позиции
современных
им
научных
представлений и господствующего типа научной рациональности,
а также активно используя привычные для современников
физические парадигмы 1.
Ретроспективный анализ сменяющих друг друга физических
картин мира в их исторической последовательности позволяет
выделить следующие характеристические признаки изменения. Вопервых, совершенно четко улавливается, что при всех
преобразованиях картины мира, рассматриваемой в целом, речь
идет не о ритмическом качании туда и обратно, но о совершенно
определенном направлении более или менее постоянного
поступательного развития, обозначаемого тем, что содержание
нашего мира ощущений все более обогащается, наши знания о нем
все более углубляются, наше господство над ним все более
укрепляется. Во-вторых, необходимо подчеркнуть, что причиной
для всякого улучшения и упрощения физической картины мира
всегда является новое наблюдение, т. е. процесс в мире ощущений,
однако физическая картина мира по своей структуре и содержанию
все больше и больше удаляется от мира ощущений, все больше и
больше лишается наглядности и простоты. «Тем самым сущность
физической картины мира все больше абстрагируется, причем
чисто формальные математические операции начинают играть все
более значительную роль, а качественное различие все более
сводится к количественному различию».2
Во второй половине ХХ века можно говорить о «научном
идеализме» по своему объекту познания, который с позиций
философии и науки познает субъективные и объективные формы
бестелесной субстанции (мир квантовых и электромагнитных
полей). Таким образом, в настоящее время в своих высших
современных научных формах (по объекту познания) материализм
и «научный идеализм», по существу, начинают объединяться в
1
Под парадигмой мы понимаем систему понятий, категорий и принципов, определяющих основу и характер
теорий (Владимиров Ю.С. Реляционная теория пространства-времени и взаимодействий. – М.: Изд-во МГУ,
1998. - 30 с.)
2
Планк М. Избранные труды. - М., 1975. - С. 569-570.
10
единую синтетическую философскую и научную систему знаний,
охватывающую мир как целостное образование, в единстве его
различных видов материи (вещество, элементарная частица, поле,
вакуум), где объективная
реальность иногда проявляется в
различных физических формулах и символах (в идеализированной
форме).
Как уже отмечалось, знание, заключенное в физической
картине мира, возникает в ходе обобщения и систематизации
частных образов различных структурных уровней материи. Однако
при этом понятия, принципы и идеи, войдя в физическую картину
мира, приобретают иное, чем в физической теории,
методологическое значение. Другими словами, понятия и
категории частных наук, войдя в состав картины мира,
употребляются уже в содержательном, а не в формализованном или
квазиформализованном виде.
Содержание картины мира должно быть раскрыто при
тщательном анализе структуры фундаментальных научных теорий,
исходных принципов построения теоретического знания в
естественных науках. Так, в частности, подходит к решению
проблемы В.С. Степин1. Если первый подход условно назван
интегративным, поскольку в понимании роли картины мира упор
делается на интеграцию знания, то второй можно было бы назвать
аналитическим, поскольку главное внимание уделяется анализу
внутренней структуры теории, выделению различных ее
компонентов. В.С. Степин считает, что научная (например,
физическая) картина мира является необходимым компонентом
каждой отдельной теории. Будучи по происхождению результатом
синтеза научных знаний, часто ненаучные картины мира дают, по
его мнению, видение основных системных характеристик
предметов.
Учитывая
указанные
разногласия, Б.Я. Пахомов2, В.А.
Амбарцумян3 и В.В. Казютинский4 предлагают
различать
трактовки физической картины мира в широком и в узком смысле
слова. Физическая картина мира в узком смысле слова - это
См.: Степин В.С. Становление научной теории. - Минск, 1976. – С. 66-67.
См.: Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. - М.: Мысль, 1985. – С. 4.
3
См.: Амбарцумян В.А., Казютинский В.В. Научные революции и прогресс астрофизики // Вопросы
философии. 1979. № 3. - С. 24.
4
См.: Казютинский В.В. Космология, картина мира и мировоззрение. Астрономия, методология,
мировоззрение. - М.: Наука, 1979. – С. 284.
1
2
11
система
фундаментальных конструктов, характеризующих
основные свойства физической реальности (пространство, время,
вещество, поле, вакуум и т. п.), связи между которыми
представлены физическими принципами. В широком смысле
слова физическая картина мира - это наиболее общие конкретноисторические представления о физическом мире, которые, с
точки зрения стиля научного мышления
конкретной
эпохи,
рассматриваются
как наиболее важные и существенные.
«Физическая картина мира как особая форма знания является
противоречивой и в смысле диалектики общего и особенного, и в
плане соотношения результата и средств его достижения. Первое
связано с тем, что физическая картина мира как общее знание, как
некий единый интегративно-синтетический образ реального мира
является во многом условной конструкцией. Ведь на самом деле,
как показывает история познания вплоть до сегодняшнего дня,
существуют особенные формы картин мира, в основе которых
лежат соответствующие фундаментальные теории. Второе
определяется тем, что физическая картина мира является не просто
итогом развития фундаментальной теории, но и влияет на процесс
ее формирования»1.
О
картине
мира
как
промежуточном звене между
философией и естествознанием писали М. В. Мостепаненко 2 и
Л. Б. Баженов3.
Принципиальное значение понятия
картины мира было
осознано и стало предметом острых обсуждений именно в связи с
революцией в физике
на рубеже XIХ и XX вв. Это
обстоятельство также послужило решающим аргументом в выборе
метода исследования данной проблемы. В монографии поставлена
задача выяснить, какие именно фундаментальные компоненты
теоретического знания претерпели коренную ломку в периоды
революций в физике, породив дискуссии по проблеме картины
мира. Чтобы полученные
выводы
приобрели
должную
доказательность, в работе проанализированы не отдельные
Князев В.Н. Философия физики // Философия науки: методологии и истории конкретных наук. - М.:
Канон, 2007. – С. 79. См.: Баженов Л.Б. Картина мира и ее функции в научном исследовании // Научная
картина мира. Логико-гносеологический аспект. - М.: Наука, 1981. – С. 132.
2
См.: Мостепаненко М.В. Философия и физическая теория. - М.: Наука, 1978. – С. 294.
3
. См.: Баженов Л.Б. Картина мира и ее функции в научном исследовании // Научная картина мира. Логикогносеологический аспект. - М.: Наука, 1981. – С. 132.
1
12
эпизоды, а все основные революционные перевороты в физике, что
побудило нас избрать исторический подход к анализу проблемы и
проследить общие, повторяющиеся особенности всех основных
революций в физике в аспекте классической, неклассической и
постнеклассической рациональности.
В монографии впервые сделана попытка исследовать системнофилософский характер содержания эволюции и развития
физической картины мира, выяснить исторические и логические
закономерности в развитии научно-философской методологии в
смене исторических типов физических картин мира. Физическая
картина мира ХХ в. может быть связана с разными формами
философии, например с диалектическим материализмом, с
научным идеализмом и системной философией (новое направление
современной философии).
Постнеклассическая физическая картина мира на пороге
третьего тысячелетия является последней, которая связана с
системной философией, но при этом, по сути, не отвергает другие
варианты научных картин мира, а наоборот, включает в себя
лучшие достижения в области науки и философии (онтологии,
гносеологии, методологии и эпистологии).
В данной работе нами ставится задача философскометодологического анализа исторического процесса формирования
и
становления
физических
картин
мира
на
основе
господствовавших в данный период времени типов научной
рациональности.
13
1. ГЕНЕЗИС ПЕРВЫХ НАУЧНЫХ КАРТИН МИРА КАК ИТОГ
ФОРМИРОВАНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ РАЦИОНАЛЬНОСТИ
1.1. Историческая преемственность и рациональный смысл
понятия «физической картины мира» в науке и философии
Цель науки – это формирование целостного, завершенного
представления об объекте и предмете исследования. Ясно, что
подобная задача по ряду объективных причин всегда остается не до
конца выполнимой, но научное знание стремится быть
максимально системным, целостным. В этом плане вся наука как
реальная комплексная система знания всегда старалась выделить
некую общую картину мира, где определенным образом
взаимоувязаны все основные ветви знания – естественнонаучные,
гуманитарные и прикладные. Важно отметить, что практически
любая форма общественного сознания, так или иначе, формирует
свою особую картину мира – обыденную, мифологическую,
религиозную, эзотерическую и т. п. Все они выполняют свои
особые
задачи,
удовлетворяя
конкретные
потребности
человечества, комплексно познающего мир, действительность.
Поэтому в любой конкретный период времени в данном обществе
можно выявить целый ряд разнообразных картин мира.
Стремительный прогресс науки в условиях современной
научно-технической революции сегодня требует усиления
внимания к понятию научной картины мира, к выяснению генезиса
и сущности её в познавательной деятельности. Научная картина
мира, как известно, формируется в результате синтеза знаний,
добытых всеми науками, особенно фундаментальными. Она
строится в виде общих представлений о природной, социальной и
технической действительности, которые вырабатываются на
различных этапах развития науки и определяют уровень её
мирообъяснения и миропонимания.
Процесс развития науки закрепляет новые научные результаты,
которые видоизменяют прежнюю научную картину мира. При
смене научных картин мира в конкретных науках («птолемеевской»
на «коперниканскую» в астрономии, «ньютоновской» на
«эйнштейновскую» в физике, «евклидовой» на «риманову» (или
«картину мира Лобачевского») в геометрии, «гильбертовой» на
14
«геделеву» в математике, «метафизической» на «диалектическую»
в философии) происходит смена способов описания и объяснения
объективной реальности, видоизменяется подход к старым
проблемам и появляется новый вариант их решения, формируется
иная интерпретация проблемы.
Но главное - при смене научных картин мира происходит
изменение проблемного поля науки, появляется такое проблемное
поле, которое не могло возникнуть в границах прежней научной
картины мира.
Научная картина мира позволяет систематизировать знания в
рамках соответствующей дисциплины или смежных дисциплин,
ориентирует исследователя на выбор той или иной теории,
методологических принципов, «целенаправляет постановку задач
эмпирического и теоретического поиска и выбор средств их
решения».1
Следует также отметить, что научная картина мира по мере
своего формирования подрывает основы религиозной картины
мира, в которой человеку предлагаются универсальные и
неизменные идеи о том, как жить, и каковы принципы, лежащие в
основе миропорядка.
Поэтому научные картины мира стремятся дать целостные и
максимально обобщенные реалистические представления о мире в
целом, а также о месте человека и человеческих сообществ в нем.
Здесь можно выделить естественнонаучные, технические и
гуманитарные картины мира. Развитая естественнонаучная картина
мира состоит из физической, химической, геологической,
биологической и т. п. частных картин мира, представленных
конкретными естественными науками. В свою очередь,
гуманитарная картина мира, к примеру, включает политическую,
культурологическую, социологическую и т. п. частные картины
мира. Однако исторически все это развивалось постепенно и в
любой конкретный период истории всегда имело свою
существенную специфику. Несмотря на длительное и широкое
употребление в языке науки и в повседневном общении, понятие
научной картины мира до сих пор является предметом острых
дискуссий.
Поликарпов В.С. Философия науки. - Ростов-на-Дону – Таганрог: Изд-во Таганрогского
радиотехнического университета, 2004. – C. 241.
1
15
Существуют различные мнения по вопросу о том, функцией
каких наук является создание научной картины мира. Одни
авторы1, 2 считают, что построение той или иной картины мира
является задачей философии. Другие авторы3 полагают, что единая
картина мира создается всеми науками, в том числе философией.
На наш взгляд, предпочтительна вторая точка зрения, ибо картина
мира, изображаемая только философией, неизбежно будет носить
предельно абстрактный характер и совпадать с ней по содержанию.
Как известно, термин «научная картина мира» в широкий
обиход был введен естествоиспытателями в XIX – начале ХХ в. С
самого начала данное понятие носило ярко выраженный
метафорический характер. Ученые вовсе не вкладывали в слово
«картина» того смысла, которое оно имеет в теории
художественного познания, а, говоря о мире, имели в виду
фрагменты объективной реальности.
Под научной картиной мира подразумевались основные
представления какой-то отрасли знания об исследуемой
реальности, выраженные в системе фундаментальных понятий и
принципов. Например, известный немецкий физик Г. Герц
определяет механистическую картину мира следующим образом:
«Основные понятия механики вместе со связующими их
принципами образуют простейший образ, который может создать
физика о вещах чувственного мира и процессах, в нем
происходящих».4
Термином «картина мира» широко пользовался и М. Планк,
понимая под физической картиной мира «образ мира»,
формируемый в физической науке и отражающий реальные
закономерности природы. Планк считал, что содержание этого
образа, задаваемое принципами сохранения превращения энергии и
принципом возрастания энтропии, непрерывно углубляется по мере
развития физического знания, освобождаясь при этом от
антропоморфных элементов. Планк различал практическую и
научную картины мира. С практической картиной мира он связывал
вырабатываемое постепенно на основании переживаний целостное
См.: Фролов И.Т., Юдин Б.Г. Этика науки: проблемы и дискуссии. - М., 1986. – 264 с.
См.: Хайдегер М. Наука и осмысление // Новая технократическая волна на Западе. - М.: Прогресс, 1986. –
С. 83.
3
См.: Готт В.С., Тюхтин В.С., Чудинов Э.М. Философские проблемы современного естествознания. - М.:
Политиздат, 1974. – 372 с.
4
Григорьян А.Г., Вяльцев А.Н. Генрих Герц. - М.: Наука, 1968. – С. 248.
1
2
16
представление человека об окружающем мире. Научную картину
мира он рассматривал как модель реального мира в абсолютном
смысле, независимо от отдельных личностей и всего человеческого
мышления. Планк считал, что преимущество научной картины
мира, благодаря которому она вытеснит все прежние картины,
состоит в её «единстве – единстве по отношению ко всем
исследователям,
всем
народностям,
всем
культурам».1
Действительно, чувственные ощущения людей, вызываемые
различными предметами, могут и не совпадать, но «картина мира,
мира вещей для всех людей одинакова».2 Научная картина мира, по
Планку, имеет относительный характер, поэтому и создание такой
картины мира, которая представляла бы собой нечто
окончательное, реальное и не нуждалось бы в дальнейших
улучшениях, он считает недостижимой задачей.
М. Планк, а позднее А. Эйнштейн обращали внимание на то,
что научная картина мира любой науки имеет, с одной стороны,
конкретный характер, поскольку она определена предметом
конкретной науки. С другой стороны, такая картина относительна в
силу исторически приближенного, относительного характера
самого процесса человеческого познания. В применении к физике
такой взгляд на картину мира А. Эйнштейн характеризует
следующим образом: «Какое место, - спрашивает он, - занимает
картина мира физиков-теоретиков среди всех возможных таких
картин?»
Благодаря использованию языка математики, эта картина
удовлетворяет высоким требованиям в отношении строгости и
точности выражения взаимозависимостей. Но зато физик вынужден
сильно ограничивать свой предмет, довольствуясь изображением
наиболее простых, доступных нашему опыту явлений, тогда как все
сложные явления не могут быть воссозданы человеческим умом с
той точностью, которые необходимы физику-теоретику. Высшая
аккуратность, ясность и уверенность – за счет полноты. Но какую
прелесть может иметь охват такого небольшого среза природы,
если наиболее тонкое и сложное малодушно оставляется в стороне?
Заслуживает ли результат столь скромного занятия гордого
названия «картины мира»? Я думаю – да, ибо общие положения,
1
2
Планк М. Единство физической картины мира. - М.: ИЛ, 1966. - С. 44.
Там же. – С. 284.
17
лежащие в основе мысленных построений теоретической физики,
претендуют быть действительными для всех происходящих в
природе событий».1
По мере развития науки и практики в научную картину мира
будут вноситься изменения, исправления и улучшения, но эта
картина никогда не обретет характера окончательной, абсолютной
истины.
Понятно, что научная картина мира, в первом приближении,
есть некоторая целостность и всеобщность, но жестко
ограниченная предметной областью той или иной науки и в этом
смысле не относящаяся к предметной области философии. В свою
очередь, частная картина строится на основе эмпирических и
теоретических знаний, не выходящих за пределы данной частной
науки, и не может необходимо формироваться на базе различных,
порой противоречивых философских позиций. Один из основателей
физики элементарных частиц Х. Юкава отметил по этому поводу:
«Содержащиеся в философских системах идеи никак не
переносятся в физические теории … один из наиболее мощных
источников творческого мышления составляют аналогии, а,
пользуясь ими, можно добиться многого внутри самой абстрактной
физической теории».2
Более интересна точка зрения академика В.С. Степина,
утверждающего, что «картина мира выделяет из бесконечного
многообразия реального мира именно те его сущностные связи,
познание которых и составляет основную цель науки на том или
ином этапе её исторического развития. При описании картины мира
эти связи фиксируются в виде системы научных принципов, на
которые опирается исследование и которые позволяют ему активно
конструировать конкретные теоретические модели, объяснять и
предсказывать эмпирические факты».3
Можно выделить три основных аспекта картины мира,
обсуждаемой в современной литературе. Во-первых, картина мира
как реальность, существование которой производно от системы
знаний. Она является неким образом мира, проявлением духовнопрактической деятельности познающего.
Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 4. - М., 1967. - С. 40.
Бергсон А. Творческая эволюция. - М.: Канон-пресс, 1998. – С. 384.
3
Степин В.С. Теоретическое знание. – М.: Прогресс-традиция, 2000. – С. 144.
1
2
18
Во-вторых,
картина
мира
как
результат
процесса
опредмечивания, объектирования образов мира, лежащих в основе
жизнедеятельности человека и процесса осмысления, рефлексии
образов мира. В процессе опредмечивания результат имеет важное
гносеологическое значение прежде всего для развития науки,
научного знания. На его основе осуществляется наблюдение,
становится эксперимент, который опять-таки описывается в сетке
общенаучных понятий, идей, принципов, гипотез. Наконец, в этом
же русле возникают и и формируются научные теории, дается
объяснение взаимосвязей конкретной предметной области явлений.
Вместе с тем наиболее общие понятия научной картины мира,
которые проявляются через организующую роль принципов
детерминизма,
эволюционизма,
системности
и
других,
представляют собой определенное преломление соответствующих
философских принципов. Таким образом, можно констатировать,
что научная картина мира – это такая область знаний, в которой
наиболее эффективно происходит взаимодействие философского и
научного знания.
По
своим
методолого-теоретическим
основаниям
первоначальная модель развития науки была названа кумулятивной
моделью. Кумуляция в переводе с латинского означает
«скопление».
Кумуляционную
модель
развития
науки
отождествляют с постоянным приращением общей суммы научных
знаний на основе принципа их преемственной связи.
Преемственная кумуляция предполагает трансляцию научных
понятий, методов их выведения и использования при
формировании научной картины мира.
В целом кумулятивная модель основывается на идее
эволюционного накопления научных знаний, методов и средств
познания, она не исключает скачки в науке, а рассматривает их как
вехи эволюционно-преемственного развития. Данная модель
больше соответствует динамике знаний, охватившей довольно
длительный исторический отрезок времени от античности до XVII
в.1
Для объяснения динамики развития знаний в XVII - XVIII вв.
кумулятивная модель явно не подходила. На первый план
выдвинулась модель революционных скачков в науке и
1
См.: Кузнецов Б.Г. Пути физической мысли. – М.: Наука, 1969. – 348 с.
19
промежуточных ее эволюционных изменений. Количественные
изменения, возникшие в технологии, методологии и логике
производства научных знаний конца XIX - начала XX вв., привели
к возникновению модели развития, получившей название
революционной модели. Разработка целостной концепции научной
революции и ее методологической роли в истории науки была
осуществлена Томасом Куном (1922-1996). Кун примерами
революций считал поворотные пункты в ходе развития науки,
связанные с именами Коперника, Ньютона, Лавуазье и Эйнштейна.
Суть куновской концепции научной революции в том, что в ходе
развития науки возникают ситуации, когда существующие в ней
теории приходят в противоречие с вновь открытыми фактами. Под
давлением этих фактов одни теории видоизменяются, а другие
приходят к кризису и через него к прекращению своего
существования. На их месте возникают теории с иным
содержанием, методами и логическими средствами.
Основная мысль концепции Т. Куна состоит в том, что в
развитии научного знания особую роль играет деятельность
научного
сообщества,
которое
конституируется
вокруг
определенной парадигмы (греч. paradeigma - образец) общепризнанной
совокупности
ценностных
критериев
мировоззренческих
установок,
теоретических
стандартов,
методологических норм, которая даст научному сообществу модель
постановки проблем и их решений. «Под парадигмами я
подразумеваю, - пишет Кун, - признанные всеми научные
достижения, которые в течение определенного времени дают
модель постановки проблем и их решений научному сообществу».1
Следует уточнить, что термин «парадигма» используется в книге Т.
Куна в двух различных смыслах. С одной стороны, он обозначает
всю совокупность убеждений, ценностей, технических средств и т.
д., которая характерна для членов данного сообщества, социологический смысл термина. С другой стороны, парадигмы
рассматриваются как образцовые достижения прошлого. Введение
понятия парадигмы позволяет рассматривать процесс развития
науки не как простое накопление отдельных открытий и
изобретений, не как простой прирост знаний, а как процесс,
1
Кун Т. Структура научный революций. – М.: АСТ. 2003. - С. 17.
20
условно разделенный на этапы, каждый из которых имеет два
периода.
Первый период назван Куном периодом нормальной науки,
второй период - периодом научной революции. Очевидно, что эти
периоды сменяют друг друга. Понятие парадигмы у Куна тесно
связано с категорией «научного сообщества». Научное сообщество
состоит из людей, признающих данную парадигму, в свою очередь,
парадигма — это то, что членов научного сообщества объединяет.
«Парадигмы-образцы» формируют способ видения, проверенный
временем и разрешенный научной группой, определяя тем самым
«стиль мышления» ученого. И непременно оказывают серьезное, в
ряде случаев интуитивное влияние на направленность научных
поисков при решении головоломок. Период нормальной науки
знаменуется успешным решением головоломок научным
сообществом в рамках принятой парадигмы. Смена научных
парадигм происходит в связи с кризисом в науке и знаменует собой
научную революцию.
В период стабильного
развития науки безраздельно
господствует одна парадигма (например, в классической физике
господствовала ньютоновская парадигма), которая дает модель
постановки проблем и их решений научному сообществу. Такой
период Кун называет периодом «нормальной науки» и считает, что
в этот период «научное сообщество» занимается планомерным и
настойчивым решением определенных парадигмой конкретных
научных проблем, в терминологии Куна - «головоломок».
«Неудачное решение головоломки выглядит уже не как провал
парадигмы, а как поражение
исследователя, не сумевшего
разрешить вопрос, который на самом деле разрешим в рамках
парадигмы. Так, шахматист, не умея найти правильное решение,
проигрывает не потому, что правила не работают, а потому, что он
сам оказался не на высоте».1
Однако длительные этапы нормальной науки заканчиваются,
когда парадигма «взрывается» изнутри под давлением аномалий головоломок, которые не решаются в рамках данной парадигмы.
Незаметно наступает момент, когда ученым не удается решить
одну головоломку, затем - другую, число аномалий растет, ученые
1
Реале Дж. Антисерии Д. Западная философия от истоков до наших дней: В 2 т. Т. 1. – СПб.: Наука, 1994. –
С. 678.
21
начинают терять доверие к прежде незыблемой парадигме. После
серии атак на ее основные тезисы назревает кризис или период
революции, научное сообщество расслаивается на тех, которые
стараются спасти старую парадигму, и их оппонентов,
выдвигающих новые идеи. Кризис разрешается победой новой
парадигмы, вокруг нее консолидируется новое научное
сообщество, что знаменует начало нового нормального периода, и
весь процесс повторяется.
Однако Кун ударяется в другую крайность. Научные
революции, считает он, настолько глубоки, что вновь возникшие
парадигмы не просто коренным образом отличаются от старых, а
совершенно несоизмеримы с ними. Переход исследователя от
старой парадигмы к новой подобен переключению гештальта,
после чего ученый начинает видеть мир своих исследовательских
проблем в совсем ином свете. Возникшая в результате
переключения гештальта трансформация концептуальной сетки,
через которую исследователь смотрит на мир, согласно Куну, не
может быть компенсирована, ибо коренится она в различии
структур старой и новой парадигм. Отсюда невозможность
прогрессивного развития научного знания. «Я не сомневаюсь, пишет Кун, - что ньютоновская механика улучшает механику
Аристотеля и что теория Эйнштейна улучшает теорию Ньютона в
том смысле, что дает лучшие инструменты для решения
головоломок. Но в их последовательной смене я не вижу связного и
направленного онтологического развития»1.
Согласно его пониманию, законы, которые получены в
результате предельного перехода законов релятивистской
механики, хотя по форме совпадают с законами ньютоновской
механики, но различаются совершенно иным содержанием
входящих в них терминов, и поэтому говорят о совсем разных
референтах. Например, физическое содержание понятий массы,
пространства, времени в уравнениях механики Ньютона не
тождественно с содержанием массы, пространства, времени в
уравнениях, полученных в результате предельного перехода
законов релятивистской механики. Поэтому редукция динамики
теории относительности к динамике ньютоновской механики не
релевантна.
1
Кун Т. Структура научных революций. – М.: Прогресс, 1977. – С. 292.
22
Ошибочность такого взгляда показана В. А. Лекторским.
Возможность реальной соизмеримости разных теоретических
систем, по его мнению, вытекает из многослойности научного
знания, из существования в нем на каждом данном этапе ряда (а не
одной - единственной) систем, изменяющихся различным образом
и разными темпами, из «погруженности» научных теорий в
обыденное
донаучное
сознание.
Соизмеримость
разных
теоретических систем обеспечивается вхождением значительной
части смысловых систем старой парадигмы в структуру новой. При
этом «речь идет не о совпадении всех систем значений, которые
приписываются одним и тем же терминам и формулам. Для
межпарадигмального понимания и общения достаточно того, чтобы
значения, входящие в разные парадигмы, совпадали в каких-то
существенных компонентах»1.
В отечественной литературе принцип соответствия впервые
основательно исследовал И. В. Кузнецов. Он пришел к выводу, что
принцип соответствия выражает весьма общую закономерность
развития физики: «... теории, справедливость которых
экспериментально установлена для той или иной области
физических явлений, с появлением новых, более общих теорий не
устраняются как нечто ложное, но сохраняют свое значение для
прежней области явлений как предельная форма и частный случай
новых теорий. Выводы новых теорий в той области, где была
справедлива старая, «классическая» теория, переходят в выводы
классической теории; математический аппарат новой теории,
содержащий некоторый характеристический параметр, значения
которого различны в старой и новой области явлений, при
надлежащем значении характеристического параметра переходит в
математический аппарат старой теории»2. Так, квантовая механика
асимптотически переходит в классическую механику, если можно
пренебречь величиной кванта действия h, полагая его стремящимся
к нулю. Релятивистская механика превращается в механику
Ньютона при малых скоростях движения, когда можно считать
скорость
света
бесконечно
большой.
Общая
теория
относительности при отсутствии гравитационного поля и
стремлении так называемых гравитационных потенциалов к нулю
Лекторский В.А. «Альтернативные миры» и проблема непрерывности опыта // Природа научного знания. –
Минск, 1979. - С. 97-98.
2
Кузнецов И.В. Принцип соответствия. Историко-методологический анализ. – М., 1979. - С. 68-79.
1
23
переходит в специальную теорию относительности, а при малых
скоростях и слабых полях - в классическую механику и т. д.
Однако, учитывая, что революции в физики меняют не только
формулы, но и картины мира, правомерно поставить вопрос: если в
пределе согласуются количественные значения величин, даже
уравнения в ряде случаев переходят друг в друга при
соответствующем изменении характеристического параметра, то
как быть с фундаментальными идеализациями теорий, с
представлениями физических картин мира, которые кардинально
меняются с развитием физики?
В самом деле, смысл и значение принципа соответствия будут
совершенно различными в зависимости от того, сохраняется или не
сохраняется качественное содержание основных понятий и
базисных идеализаций при переходе от одной теории к другой.1
Если бы понятия массы, энергии, длины, интервала времени,
например, в классической механике и в специальной теории
относительности, по физическому смыслу были тождественны, то
различие между теориями было бы чисто количественным
(уточнялись бы формулы, выражающие количественные отношения
между величинами). Тогда принцип соответствия обеспечивал бы
только согласование этих количественных значений и предельном
случае. Однако, как мы видели, одни и те же уравнения, например
преобразования
Лоренца,
имеют
принципиально
разный
физический смысл в зависимости от того, будем ли мы их понимать
с позиций классической картины мира (как это сделал Лоренц) или
с позиций картины мира специальной теории относительности
(Эйнштейн). Анализ изменений картины мира с переходом к
квантовой механике еще раз показал, что с созданием новой теории
качественно меняется физический смысл уравнений, а не только их
математическая форма.
Это обстоятельство побудило Т. Куна выдвинуть концепцию
принципиальной «несоизмеримости» сменяющих друг друга
теорий: если масса, длина, интервал времени в ньютоновской
механике инвариантны, а в теории Эйнштейна зависят от
относительной скорости, то это означает, по Куну, что содержание
самих этих понятий принципиально различно, и нас не должно
См.: Баженов Л.Б. Картина мира и её функции в научном исследовании – научная картина мира. Логикогносеологический аспект. – М.: Наука, 1981. – С. 132.
1
24
вводить в заблуждение одинаковое звучание слов. Как считает Кун,
сменяющие друг друга теории, базирующиеся на различных
парадигмах, вообще относятся к различным мирам, а потому
сравнивать их между собой по содержанию, и в частности говорить
о количественном совпадении в предельном случае не имеет
смысла. В концепции Куна, как видим, принцип соответствия
вообще объявляется недействительным.
Однако, если между сменяющими друг друга теориями нет
качественного различия, принцип соответствия также теряет свое
значение. Он потому и содержателен, нетривиален, что
устанавливает соответствие там, где, казалось, его нет и не может
быть. И. В. Кузнецов справедливо обращал внимание на то, что
«вся сила, все значение принципа соответствия проявляются тогда,
когда новая и старая теории наиболее решительно отличаются друг
от друга, когда совершается коренное преобразование физических
теорий. Именно здесь неизбежность взаимосвязи новых и старых
законов
посредством
предельного
перехода
становится
нетривиальной, имеющей глубокое принципиальное значение».1
Принцип соответствия, таким образом, выступает как гарант
против философского релятивизма, на позициях которого стоит
Кун.
Поставленный вопрос принимает наиболее острую форму
именно тогда, когда сопоставляются не просто основные понятия
сменивших друг друга теорий, а соответствующие картины мира.
Понятия массы, энергии, импульса есть и в механике Ньютона, и в
теории относительности Эйнштейна, и в квантовой теории.
Казалось бы, различие между ними только количественное,
обусловленное
различиями
в
уравнениях,
выражающих
физические законы. Однако ситуация выглядит гораздо сложнее,
если принять во внимание, что мир Ньютона - это мир вещей
(материальных точек), мир Эйнштейна - это мир событий, а мир
квантовой
теории - это
мир
диалектики
потенциальной
возможности и действительности. Как представить себе
предельный переход от потенциальных возможностей к событиям,
а
от событий - к материальным точкам, вещам? Можно ли
считать, что предельное соответствие имеет место в
количественных значениях, а не в качественном содержании
1
Кузнецов И.В. Взаимосвязь физических теорий // Вопросы философии. 1963. № 6. - С. 42.
25
базисных идеализации? В связи с этим некоторые авторы
предлагают дополнить принцип соответствия принципом
несоответствия.
Конечно, развитие научного знания, как и развитие вообще,
процесс противоречивый. И все же, на наш взгляд, проблема не
может получить решение, если соответствие будет отнесено к
количественным аспектам теоретического знания, а несоответствие
- к содержанию. Принятие такой точки зрения с логической
неизбежностью приводит к альтернативе: либо качественное
несоответствие в содержательном отношении существенно, тогда
теряет смысл количественное сравнение1, либо качественное
несоответствие несущественно, а существенно для познания лишь
количественное согласование формул. Это, однако, может быть
только в том случае, если считать качественные аспекты теории
условными, не несущими самостоятельного знания о мире,
например имеющими лишь формально инструментальный
характер. Но это уже позиция конвенционализма, являющегося
вариантом философского релятивизма.
Значит, существует единственно возможное решение:
соответствие между сменяющими друг друга теориями обязательно
распространяется не только на количественные аспекты
предсказаний и вычислений, но и на содержательные аспекты
теоретического знания, в том числе и на содержательные аспекты
физических картин мира. Иными словами, в сменяющих друг друга
картинах мира имеет место единство противоположностей сохранения и изменения, преемственности и отрицания.2
Попытаемся выяснить конкретнее, в чем и как реализуется
единство преемственности и отрицания в сменяющих друг друга
картинах мира. Прежде всего, мы должны обратить внимание на
связь между физическими картинами мира и общими
философскими принципами материализма. По сути, физическая
картина мира выступает связующим звеном между содержанием
физической теории и общими философскими принципами. Такие
философские принципы, как материальное единство мира,
неразрывная связь материи и движения, детерминизм, единство
пространственно-временных отношений и движения материи и
1
2
См.: Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография. – М.: Высшая школа, 1966. – 352 с.
См.: Пенроуз Р. Структура пространства–времени. - М.: Мир, 1972. – 574 с.
26
другие, находят в рамках физической картины мира свое более
конкретное (а потому и более частное) выражение в виде
представлений о характере базисных объектов, об основном типе
движения (изменения), о характере пространственно-временных
отношений, формах детерминизма, структуре материи в
соответствующей области физических процессов. Представления
физической картины мира, обладая меньшей общностью,
изменяются быстрее и более радикальным образом, чем
философские категории и принципы.1
Как бы радикально ни изменялись в ходе революции в физике
представления о структуре и свойствах материи, свойствах
пространства-времени, о формах детерминизма или движения
материи, они сохраняют преемственность с существующими
представлениями благодаря тому, что как новые, так и старые
представления являются конкретизацией общих принципов
философии.
Переход в квантовой теории от отражения движения вещей
(классическая
физика)
или
материальных
процессов
(электродинамика и специальная теория относительности) к
отражению эволюции потенциальных возможностей материальных
процессов микромира явился на уровне физической картины мира
качественным
переворотом.
Диалектико-материалистическое
истолкование понятия потенциальных возможностей событий
восстанавливает связь с материалистической традицией и
рациональным содержанием философских идей Аристотеля и
Гегеля о соотношении возможности и действительности, обогащая
их новым содержанием. При этом соответственно усложняются, но
отнюдь не подвергаются отрицанию, традиционное для
материализма и для физики понятие закона природы, концепция
детерминизма.
Благодаря
соответствию
фундаментальным
принципам философского материализма физические картины мира
оказываются в отношении взаимного соответствия, отражая
углубление наших знаний о материальном мире.
Понятие «физическая картина мира» употребляется в
естествознании давно, но лишь в последнее время оно стало
рассматриваться не только как итог развития физического знания,
но и как самостоятельный вид знания – общее теоретическое
1
См.: Там же. – 574 с.
27
знание в физике, система понятий, принципов и гипотез, служащих
исходной основой для построения теорий. При этом активно
используются хорошо понимаемые современниками аналогии,
символика. Ясно, что с течением времени такая картина мира
существенно меняется, трансформируется с ходом развития блока
физических наук. Неслучайно в формировании подобной
обобщенной картины мира наиболее важное значение приобретают
концепции и теории наиболее развитых в конкретный
исторический период физических наук. А иные блоки физического
знания остаются или вообще невостребованными или
маловероятными, второстепенными.
Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все
ранее полученные знания о природе, а с другой стороны, вводит в
физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия,
принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые
коренным образом меняют основы физического теоретического
знания. Иными словами, физическая картина мира рассматривается
как физическая модель природы, включающая в себя
фундаментальные физические и философские идеи, физические
теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания,
соответствующие определенному историческому этапу развития
физики.
Так, в античности сформировалась специфическая картина
мира, разграничивающая совершенный небесный Космос и
несовершенный земной мир. При этом Космос, например, у
древних
греков,
обозначал
всякую
упорядоченность,
согласованность, совершенство и гармонию в противовес
неупорядоченному, несовершенному Хаосу. Человек представал
при этом, с одной стороны, как микрокосмос, порождаемый
макрокосмосом, Вселенной, а с другой – как безвольная игрушка в
руках богов и природы. Вселенная, природный мир совершают
некий кругооборот своего движения, символизируя цикличность,
повторяемость всех природных процессов и явлений. Ведущая роль
в такой картине мира принадлежала астрономии, математике,
мифологии. В ней активно использовались понятные людям
античности символы – колесо, огонь, лук и стрелы, колесница.
Разумеется, подобная картина мира еще не может быть названа
28
научной, поскольку сочетает элементы научных представлений с
религиозными и мифологическими.
Положение существенно меняется в условиях европейского
Возрождения, отражая изменения общих представлений во
взглядах на мир и место человека в нем. Мыслители этой эпохи
стремились объяснить существование единого бесконечного
материального мира из него самого, независимо от деятельности
внешней потусторонней силы – божества, понимая его как мир,
подчиняющийся единому закону причинно-следственной связи.
Развивались атомистические представления о строении материи, а
также пантеистические идеи, суть которых в отождествлении Бога
и природы, в растворении Бога в природе. А движущая сила
рассматривалась как неотделимое от материи разумное начало –
мировая душа, архей – активная жизненная сила, вечный
божественный разум. Как видим, и в этой картине мира ещё не
очень явно выделено научное начало, а научные представления
причудливо переплетаются с вненаучными – магическими,
эзотерическими.
Первой строго научной физической картиной мира можно
считать механистическую (иногда называемую механической)
картину мира, господствовавшую в Европе в Новое время, в XVII XVIII вв. В ней уже четко доминировали механика, физика,
математика, материалистические и атомистические представления
о мироустройстве. Вселенная здесь уподоблялась огромному
механизму модных тогда механических часов, где все основные
составные части на всех уровнях бытия были хорошо подогнаны
друг к другу, как колесики, рычаги и пружинки в часах. Вместе с
тем и здесь ещё присутствует идея Бога, но уже в ослабленной
форме деизма, согласно которой Бог сотворил и запустил в ход
Вселенский механизм, а далее как бы «устранился от дел»,
наблюдая за всем происходящим со стороны.
И далее возникавшие в истории все новые и новые физические
картины мира сменяют друг друга, каждый раз уточняя понимание
мироустройства с позиции современных им физических
представлений, а также активно используя привычные для
современников
символику
и
аллегории.
«Наиболее
распространенными вариантами «физической картины мира»
стали: механическая, электродинамическая (электромагнитная),
29
релятивистская, квантовая».1 Смена картин мира происходит
диалектическим путем, то есть ложные отбрасываются, а истинные
дополняются, уточняются и охватывают все большую область
физической реальности. Как, например, ньютоновская картина
мира включает электродинамическую, а затем они обе, в «снятом»
виде входят в релятивистскую картину мира, а затем последняя,
таким же образом, - в квантовую.
Каждая физическая картина мира – ступень познания –
является относительной истиной. Смена физических теорий – это
процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не
будет никогда завершен из-за бесконечной сложности и
разнообразия материального мира.
С изменением физической картины начинается новый этап в
развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов,
законов, гипотез и стиля мышления.
Как уже отмечалось, знание, заключенное в физической
картине мира, возникает в ходе обобщения и систематизации
частных образов различных структурных уровней материи. Однако
при этом понятия, принципы и идеи, войдя в физическую картину
мира, приобретают иное, чем в физической теории,
методологическое значение. Другими словами, понятия и
категории физических наук, войдя в состав физической картины
мира, употребляются уже в содержательном, а не в
формализованном или квазиформализованном виде.
1.2 Механистическая картина мира как первая научная
картина мира: генезис, сущность и закономерности
становления
Истоки возникновения механистической картины мира
относятся к античному периоду. Именно в это время появились
первые наивно-механистические представления об окружающем
мире.
Картина мира, соответствующая натурфилософской парадигме,
возникла в античной Греции. Первая концепция Вселенной,
доступная интеллектуалу, принадлежит Пифагору. Оценивая его
1
Кузнецов Б.Г. Пределы современной науки. – М.: Наука, 1983. – С. 255.
30
роль в формировании миропредставления, которое можно назвать
научным, Б. Рассел писал: «Пифагор по своему влиянию как на
древнюю, так и на современную эпоху... является одним из
наиболее значительных людей, когда-либо живших на Земле, - и в
том случае, когда он был мудр, и в том, когда он ошибался».1
Пифагору принадлежат идеи всеобщей Гармонии Вселенной,
которую он назвал космосом (cosmos по-гречески означает мир,
Вселенная, гармония) и предположил, что его структура
определяется соотношениями чисел. Математический характер
имела и космогония Пифагора.
В античной философии сформировались две школы, поразному описывавшие структуру мироздания. Сторонники
Ионийской школы (Фалес, Анаксимандр, Гераклит) утверждали,
что существует два слоя реальности - физический, который
воспринимается нашими чувствами, и метафизический, который
лежит за пределами наших восприятий и составляет «архэ» скрытую сущность вещей. Так, например, по учению Гераклита,
природа представляет собой единое целое, не возникшее и не
преходящее, а всем существующим вещам присуще первовещество,
первоначало, из которого они возникли. Таким первоначалом,
первоосновой всего он считал «вечно живой огонь», находящийся в
постоянном движении и изменении благодаря борьбе образующих
его противоположностей. «Этот космос, - утверждал Гераклит, - тот
же самый для всех, не создал никто из богов, ни из людей, но он
всегда был, есть и будет вечно живым огнем, мерами
разгорающимся
и
мерами
погасающим»2.
По
мнению
представителей другой школы - элеатов (Парменид), абсолютно
лишь вечное и неизменное, единое. Что же касается видимых
явлений, то это химера, порожденная обманом наших чувств.
На следующем этапе развития античного миропредставления
были оформлены две альтернативные картины мира. Первая из них
принадлежит Левкиппу и Демокриту, которые считали, что в мире
нет ничего, кроме разнообразных атомов и пустоты. Отсутствует и
какая-либо свобода воли или выбор, т. к. все происходящее
однозначно предопределено движениями атомов, в мире нет ничего
случайного.
1
Рассел Б. Почему я не христианин. – М.: Политиздат, 1987. - С. 137-138.
2
Антология мировой философии: В 4 т. - М.: Мысль, 1969. Т. I. Ч. 1. - С. 275.
31
Другая космологическая модель разработана Платоном,
утверждавшим, что действительный мир - это идеи, а все видимое и
воспринимаемое чувствами лишь их отражение, однако вполне
реальное. Таким образом, концепция мироздания Платона
дуалистична: истинный мир совершенен, вечен и неизменен и
может быть постигнут лишь работой ума, а материальный
подлунный мир, в отличие от него, подвержен изменениям и
распаду. Единственной причиной Космоса является Демиург,
Творец. Основной принцип космологии Платона — математическая
гармония, порядок, красота.
Вершиной античной натурфилософии явилась космология
Аристотеля. Если у Платона субстанцией, т. е. истинной
реальностью, считались эйдосы, идеи, то в учении Аристотеля роль
субстанции отводилась видимому миру. Учение Аристотеля о
мироздании изложено в его работах1 и является основой
натурфилософской парадигмы античности.
Оно отрицало пустоту (вакуум) в природе, исходило из
того, что материальная субстанция беспредельно делима, и
разграничивало «земное» и «небесное». Земля, по представлениям
Аристотеля, есть мир тленный, в котором происходит постоянный
круговорот - рождение и смерть, произрастание и увядание; небо,
наоборот, усеяно светилами, состоящими из одного эфира нетленного элемента, все светила являются поэтому вечными и
совершенными. Аристотель вслед за философом Эмпедоклом (ок.
490 - ок. 430 гг. до н. э.) предположил существование четырех
«стихий», вечных неизменных первовеществ: земли, воды, воздуха
и огня, из смешения которых произошли все тела на Земле. По
Аристотелю, вода и земля естественным образом стремятся
двигаться к центру мира («вниз»), тогда как огонь и воздух
движутся «вверх», к периферии, и тем быстрее, чем ближе они к
своему «естественному» месту. Поэтому в центре мира находится
Земля, над ней расположены вода, воздух и огонь. Таким образом,
Аристотель различает естественные и вынужденные движения тел.
Для земных тел естественными являются движения по прямой к
центру Космоса (т. е. вниз) или от центра Космоса (вверх): тяжелые
тела по самой своей природе стремятся вниз, а легкие - вверх.
1
См.: Аристотель. Сочинения: В 4 т. Т. 1. – М.: Мысль, 1975. - С. 550. Его же, Т. 3. – С. 136-144, 314-322.
32
Всякие иные движения земных тел являются вынужденными 1.
Представления Аристотеля о естественных и вынужденных
движениях тел господствовали в науке в течение многих столетий вплоть до ХVI - ХVII вв., когда возникла механика Галилея Ньютона.
По Аристотелю, Вселенная ограничена в пространстве, хотя ее
движение вечно, не имеет ни конца, ни начала. Это возможно как
раз потому, что, кроме упомянутых четырех элементов, существует
и пятая, неуничтожимая форма материи, которую Аристотель
назвал эфиром. Из эфира будто бы состоят все небесные тела, для
которых вечное круговое движение - это естественное состояние.
«Зона эфира» начинается около Луны и простирается вверх, тогда
как ниже Луны находится мир четырех элементов.
При построении своей системы мира Аристотель использовал
представления Евдокса о концентрических сферах, на которых
расположены планеты и которые обращаются вокруг Земли. По
Аристотелю, Космос ограничен, имеет форму сферы, в центре
которой находится земной шар, за пределами сферы нет ничего - ни
пространства, ни времени. В пределах же сферы нет пустоты - всё
заполняет «первичная материя». Все небесные движения
совершенны, т. е. совершаются равномерно по кругам согласно
представлениям пифагорейцев. Аристотель представлял себе
планеты прикрепленными к определенным прозрачным сферам,
которые обращаются вокруг неподвижной Земли. Он дал
достаточно убедительные доказательства шарообразности Земли.2
Одним из них было изменение вида звездного неба при
передвижении наблюдателя по земной поверхности: в южных
странах появляются новые созвездия, невидимые на севере, и чем
дальше к северу, тем больше видно незаходящих звезд.
Второе доказательство Аристотеля основано на наблюдениях
лунных затмений: тень Земли на диске Луны всегда ограничена
дугой круга. Из того, что все тела при падении стремятся к центру
Земли, по мнению Аристотеля, следует, что Земля должна иметь
шаровидную форму.
Большое влияние на становление реалистической картины
мира оказали также атомистические физические воззрения
1
См.: Там же Т. 3. – М.: Мысль, 1981. - С. 47-50.
2
Там же. С. 328-334.
33
Демокрита (ок. 460 - ок. 360 г. до н. э.). По убеждению Демокрита,
каждое случайное явление превращается в необходимость, когда
мы познаем причину этого явления. «Ни одна вещь не возникает
беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу
необходимости».1 Древнегреческий философ Демокрит и его
учитель Левкипп считаются одними из основателей античной
атомистики.
Согласно Левкиппу и Демокриту, в мире есть лишь два
«начала» - пустота (небытие) и атомы (бытие). Учение Демокрита
считается высшей стадией древнегреческого материализма, оно
получило дальнейшее развитие в философии Эпикура.
Дальнейшему развитию атомистики дал толчок Эпикур (341-270 гг.
до н. э.). Он считал, что атомы находятся в беспрерывном и вечном
движении, характер их движения обусловлен не внешними, а
внутренними причинами. Эпикур отрицал вмешательство
божественных сил в жизнь природы. Атомистические физические
воззрения древних греков поистине удивительны: мы, люди XXI
века, находим в них предвидение многих сторон современной
научной картины мира. Однако, тем не менее, они на долгие
столетия были вытеснены континуалистическими идеями
Аристотеля.
Современникам Аристотеля уже было известно, что планета
Марс в противостоянии, а также Венера в период попятного
движения значительно ярче, чем в другое время. По теории сфер
они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии
от Земли. Именно поэтому тогда возникали и другие представления
о строении мира. Так, Гераклид Понтийский (388-315 гг. до н. э.)
предполагал, что Земля вращается вокруг своей оси наподобие
колеса («с запада на восток вокруг собственного центра»). Он
высказал также мысль, что орбита Венеры и Меркурия являются
окружностями, в центре которых находится Солнце, и вместе с
Солнцем эти планеты обращаются вокруг Земли.
Еще более смелых взглядов придерживался древнегреческий
астроном и математик Аристарх Самосский (ок. 320 - ок. 250 или
230 гг. до н. э.), впервые выдвинувший гипотезу
гелиоцентрического устройства мира. Восемнадцать столетий
спустя Коперник доказал его правоту. По мнению Архимеда,
1
Антология мировой философии: В 4 т. - М.: Мысль, 1969. Т. I. Ч. 1. - С. 327.
34
Аристарх полагал, что неподвижные звезды и Солнце не меняют
своих мест в пространстве, что Земля движется по окружности
около Солнца, находящегося в ее центре, и что центр шара
неподвижных звезд совпадает с центром Солнца. Аристарх
допускал также и суточное вращение Земли. Однако слишком мало
данных было в распоряжении ученых того времени, чтобы
обосновать эту теорию, которая на много столетий опережала их
физические взгляды.
Значительный вклад в развитие представлений о Вселенной
внес древнегреческий астроном Гиппарх (ок. 180 или 190 - 125 гг.
до н. э.). Он уточнил составленный еще примерно в 355 г. до н. э.
каталог звезд китайских астрономов, одним из которых был Ши
Шэнь, и списки (каталоги) звезд греческих астрономов Аристилла и
Тимохариса (280 г. до н. э.). Каталог Гиппарха содержал сведения о
1008 звездах и 48 созвездиях. Он обнаружил, что видимое
движение Солнца и Луны на небе является неравномерным.
Поэтому он считал, что эти светила движутся равномерно по
круговым орбитам, однако центр круга смещен по отношению к
центру Земли. Такие орбиты были названы эксцентрами. Гиппарх
составил таблицы, по которым можно было определить положение
Солнца и Луны на небе в любой день года. Благодаря работам
Гиппарха астрономы отказались от мнимых прозрачных
хрустальных сфер, предложенных Евдоксом, и перешли к более
сложным построениям с помощью эпициклов и деферентов
(вспомогательных окружностей в геоцентрической системе мира,
применявшихся для объяснения наблюдаемых движений планет).
Наконец, в древности возникли статика и гидростатика в связи
с решением ряда технических задач. Основополагающую роль в
возникновении статики и гидростатики сыграл Архимед (ок. 287 212 гг. до н. э.). Архимед установил наличие центра тяжести тел.
Он использовал принцип рычага при решении ряда геометрических
задач. Принцип рычага и учение о центре тяжести являются
важнейшими научными достижениями Архимеда в области
механики.
Архимед был не только математиком и механиком. Он был
одним из крупнейших инженеров своего времени, конструктором
машин и механических аппаратов. Он изобрел машину для полива
35
полей («улитку»), водоподъемный винт и особенно успешно
разрабатывал конструкции военных машин.
Известно сочинение Архимеда «О плавающих телах», в
котором рассматривалась задача равновесия плавающих тел. В
основе теории равновесия плавающих тел Архимеда лежит закон,
носящий его имя. Научный гений Архимеда в этом сочинении
проявляется с исключительной силой. Полученные им результаты
приобрели современную формулировку и нашли доказательство
лишь в XIX в.
Согласно первой теореме Архимеда, поверхность всякой
жидкости, установившейся неподвижно, имеет форму сферы, центр
которой совпадает с центром Земли. Затем Архимед доказывает
вторую теорему о том, что твердые тела, равнотяжелые с
жидкостью, будучи опущены в эту жидкость, погружаются так, что
никакая их часть не выступает над поверхностью жидкости и
остаются в таком положении, не двигаясь вниз; что тело более
легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не
погружается целиком, но некоторая часть его остается над
поверхностью жидкости. Были сформулированы и другие
основополагающие положения гидростатики.
Кроме математики, механики, статики и гидростатики Архимед
занимался оптикой и астрономией. Архимед, как и ряд других
ученых античности, сделал ряд интересных наблюдений за
преломлением света и в метеорологической оптике, однако закон
преломления им не был известен.
Архимед - вершина физической науки древнего мира. Зачатки
опытных исследований в области физики были и у других
александрийских ученых. Так, Герон Александрийский изобрел ряд
приборов и механизмов, первый тепловой двигатель, проводил
опыты с нагретым воздухом и паром. Герон описал диоптр - прибор
для измерения углов - прототип современного теодолита.
Космография
античности
практически
полностью
геоцентрична, единственным исключением явилось учение
Аристарха Самосского, который поместил в центр мира не Землю,
а Солнце. Однако греческая натурфилософия не восприняла его
идей, в частности потому, что в его гелиоцентрической системе
оказалось затруднительным объяснить обратное движение планет.
Кроме того, гелиоцентрическая система противоречила физике
36
Аристотеля. С этой задачей, с помощью введения эпициклов, легко
справился Клавдий Птолемей в своей геоцентрической системе
мироздания.
Классическую форму теории эпициклических движений планет
придал александрийский астроном Клавдий Птолемей (ок. 90 - ок.
160 гг. н. э.) в знаменитом сочинении «Альмагест» (это
арабизированное название, у древних греков называлось «Мегале
Синтаксис», т. е. «Великое построение»; оно известно также как
«Великое математическое построение астрономии в 13 книгах»). В
этом труде Птолемей сделал то, чего не удавалось ни одному из его
предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым,
можно было рассчитать положение той или иной планеты на любой
наперед заданный момент времени. Это сочинение дало стройную
теорию планетных движений, но исходило из неверного принципа
неподвижности Земли в центре мира. Это была логически стройная
кинематическая схема Вселенной, которая, несмотря на ложность
теоретических основ, давала удовлетворительное описание
основных особенностей видимого движение небесных тел. В
историю науки она вошла как геоцентрическая система мира.
Натурфилософская парадигма Аристотеля оставалась основой
общепризнанной картины мира на протяжении почти двух тысяч
лет, до XVI века. Фома Аквинский объединил систему Аристотеля
с христианской философией. И лишь в эпоху Возрождения
большинство философов стало отдавать пальму первенства
Платону.
Наступившая в XVI - XVII вв. новая историческая эпоха
поставила в центр научных интересов астрономию и астрологию. В
развитии первой нуждались мореплаватели, требовалось также
уточнить календарь — расчет дней равноденствия, пасхалий,
разобраться с вопросом об угловых размерах Луны и т. п. Что
касается астрологии, то в этот век, когда все были суеверны, ее
услуги пользовались большим спросом.
Вместе с тем громоздкость системы Птолемея не позволяла
получать точные данные о движении Солнца и Луны, а это, в свою
очередь, тормозило реформу календаря. Чтобы произвести
революционный шаг и признать, что в центре Вселенной находится
не Земля, а Солнце, понадобился гениальный ум Николая
Коперника, создавшего гелиоцентрическую систему мира.
37
Отвергая аргументы Аристотеля и Птолемея, Коперник
отмечал, что «вращается не только Земля вместе с соединенной с
ней водной стихией, но и немалая часть воздуха и все, что состоит
в каком-либо родстве с Землей». Не следует удивляться и тому, что
смещение звезд при движении Земли не замечается: ведь «размеры
мира столь велики, что хотя расстояние от Земли до Солнца имеет
достаточно большие размеры по сравнению с размерами сферы
любой планеты, оно, тем не менее, неощутимо мало по сравнению
со сферой неподвижных звезд». Поэтому «легче принять это
допущение, чем ломать голову над бесконечным множеством сфер,
как это вынуждены делать те, кто удерживает Землю в центре
мира».1
В расхождении с физикой Аристотеля современники увидели
слабость системы мира Коперника. Позже эта слабость обернулась
силой, т. к. послужила одной из предпосылок смены физической
парадигмы. В мировоззренческом смысле система Коперника
знаменовала освобождение науки от теологии, а также означала
возврат от Аристотеля к Пифагору и Платону. Учение Коперника
произвело настоящую революцию не только в астрономии, но и во
всем мировоззрении. Коперник стер грань между «земным» и
«небесным».
Над развитием идей Коперника о бесконечности Вселенной
думали Николай Кузанский и Джордано Бруно. У Вселенной нет
центра, писал Кузанский, она потенциально бесконечна. Дж. Бруно
сделал следующий шаг и заявил, что Вселенная бесконечна
актуально, а мир и Бог - это одно и то же. Не нужна, согласно
Бруно, и гипотеза Аристотеля о различии материи и формы - это
также одно и то же. Но прославила Бруно на века другая идея концепция множественности обитаемых миров. Джордано Бруно
выдвинул идею множественности
миров, которую можно
трактовать как принцип эквивалентности разных мест во
Вселенной, имеющей фундаментальное
методологическое
значение
и
в
современной космологии. Основная идея
натурфилософии Д. Бруно - бесконечность и однородность
Вселенной и неисчислимость миров звезд, тождественных по своей
природе Солнцу. У Бруно не только Земля, но и Солнце перестает
быть центром Вселенной, последняя вообще не имеет центра. Он
1
Copernic N. De revolutionibus orbium coelestium. - Paris, 1934. - P. 89.
38
также
допускал
возможность
существования
внеземных
цивилизаций, считал, что Вселенная бесконечна и включает
бесчисленное множество миров, подобных Солнечной системе.
«Существуют… бесчисленные солнца, бесчисленные земли,
которые кружатся вокруг своих солнц, подобно тому, как наши
семь планет кружатся вокруг нашего Солнца».1
Ученый мир долго не мог принять систему Коперника. Тихо де
Браге придумал собственную систему движения планет мира. Он
утверждал, что все планеты, за исключением Земли, обращаются
вокруг Солнца. Оно тоже, в свою очередь, обращается вокруг
Земли. Приведя к такому компромиссу две системы –
гелиоцентрическую и геоцентрическую, ученый примирял
последователей и оппонентов теории Коперника. Тихо Браге ушел
из жизни, не успев доказать свою теорию. Уже после его смерти И.
Кеплер, используя эти таблицы, открыл свои законы движения
планет вокруг Солнца. Это было очередное торжество идей
Коперника.
Последующие шаги в создании механической картины мира
были сделаны итальянским ученым, одним из основателей точного
естествознания Галилео Галилеем и немецким астрономом
Иоганном Кеплером. Оба они были убежденными последователями
Коперника. Галилей впервые использовал подзорную трубу
собственной конструкции для астрономических наблюдений,
обнаружив горы на Луне, т. е. открыв, что «Луна имеет не
идеальную форму шара, присущую якобы лишь телам «небесной
природы», а имеет вполне «земную» природу»2. Таким образом,
была поколеблена идея, идущая еще от Аристотеля, о
принципиальном различии между «совершенными» небесными
телами и несовершенными земными.
Другие астрономические открытия Галилея - обнаружение
четырех спутников Юпитера (1610 г.), выявление фаз Венеры,
наблюдение пятен на Солнце - имели огромное мировоззренческое
значение, подтверждающее материальное единство мира. Наглядно
было показано, что Земля не является единственным центром,
вокруг которого должны обращаться все тела. Наконец, он
доказывает, что Млечный путь состоит из скоплений бесчисленных
1
Бруно Дж. О бесконечности Вселенной и мира. – М.: Соцэкгиз, 1936. - С. 131.
2
Галилей Г. Избранные труды. Диалог о двух системах мира. – М.: Наука, 1964. Т. 1. - С. 640.
39
звезд. Эти астрономические открытия совершили подлинный
переворот в астрономической науке и были важным
доказательством в пользу коперниковской системы мира.
Галилео Галилей выступил также противником механики и
астрономии Аристотеля. Он опровергал учение Аристотеля о том,
что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие. Изучая кинематику
движения тел, он впервые использовал понятие инерции. Согласно
господствовавшей тогда аристотелевской концепции, понятия
инерции не существовало. Считалось, что всякое движение, кроме
естественного, требует непрекращающегося воздействия, а
прекращение воздействия приводит к немедленному прекращению
движения. Галилей выступил против такой концепции.
Используя понятие инерции, Галилей объяснил, почему Земля
при обращении вокруг Солнца и вращении вокруг своей оси
сохраняет как атмосферу, так и все, что находится в атмосфере и на
земной поверхности. Здесь проявился открытый Галилеем принцип
относительности для механических явлений, известный как
принцип относительности Галилея и утверждающий, что если
законы механики справедливы в одной системе, то они
справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно
и равномерно относительно первой, т. е. в инерциальных системах
отсчета. В другой формулировке закон звучит так: никакими
опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, нельзя
доказать, покоится система отсчета или движется равномерно и
прямолинейно. «Все законы механики во всех инерциальных
системах отсчета проявляются одинаково, в них пространство и
время носят абсолютный характер, т. е. интервал времени и
размеры тел не зависят от состояния движения системы отсчета»1.
Одновременно с законом инерции Галилей использовал и другое
основное положение классической механики - закон независимости
действия сил. Он применил его к движению тел в поле силы
тяжести Земли.
В своих философских воззрениях, опирающихся на
естественнонаучные выводы, Галилей стоит на позициях новой
основанной им механической натурфилософии механистического
естествознания. Он исходит из признания бесконечной и вечной
Вселенной, всюду единой, утверждает, что небесный мир состоит
1
Галилей Г. Избранные труды. Беседы и математические доказательства. – М.: Наука, 1964. Т. II. – С. 500.
40
из таких же физических тел, как и Земля. Все явления природы, по
его мнению, подчиняются одинаковым законам механики. Сама
материя как реальная субстанция вещей состоит из абсолютно
неизменных атомов (здесь Галилей опирается на атомизм
Демокрита); всевозможные ее проявления сводятся к чисто
количественным свойствам, поэтому все в природе можно измерить
и вычислить; движение материи выступает в единой,
универсальной механической форме. Во всех явлениях природы, по
представлениям Галилея, обнаруживается строгая механическая
причинность, поэтому в отыскании причин явлений и познании их
внутренней необходимости состоит основная, подлинная цель
науки, «высшая ступень знания».
Источником познания, по Галилею, является опыт. Он осуждал
схоластику, оторванную от действительности и опирающуюся
исключительно на авторитеты. Метод научного исследования
Галилея сводился к тому, что из наблюдений и опытов
устанавливается предположение - гипотеза, проверка которой на
практике дает физический закон. В основных чертах этот метод
стал методом естествознания. Галилей имел веские основания
считать, что и его теория, и его методология превосходят научные
построения и метод последователей Аристотеля. Объективная
истинность идей Коперника - Галилея обосновывалась как
рациональными аргументами, так и практикой.
До Галилея физика и математика существовали порознь. Он
связал физику, объясняющую характер и причины движения, и
математику, позволяющую описать это движение, т. е.
сформулировать его закон. Как один из основателей классической
механики, Галилей сделал два принципиально важных шага:
обратился к физическому опыту и связал физику с математикой. На
его стороне было принципиальное
преимущество методологии
теоретического уровня познания над выродившейся методологией
схоластической псевдонауки.
Историческая заслуга Галилея состояла не только в том, что он
показал ошибочность трактовки многих физических явлений в
трудах Аристотеля, но и в том, что он преодолевал саму
методологию иллюзорного оправдания обыденных наивных
представлений при помощи доктринерской формы, опиравшейся на
41
авторитет Аристотеля. В конкретных условиях XVII в. схоластика
была уже могилой науки, ее вырожденной, иллюзорной формой.
Галилей гениально предвосхитил важнейший принцип
построения
системы
теоретического
знания:
исходные
универсальные формы мирового порядка, отраженные в форме
теоретических фундаментальных понятий и принципов, становятся
базисными логическими формами научного мышления о мире,
логическими формами его понимания и объяснения человеком.
Иначе говоря, представления о фундаментальных принципах
строения мироздания, составляющие научную картину мира
теоретического уровня, выступают и как логические формы
универсального базисного характера, в которых наука осмысливает
явления. Глубокая, необходимая взаимосвязь фундаментальных
принципов мироздания и логических форм его осмысления
человеком становится ведущим методологическим принципом
теоретического познания мира.
Метод Галилея как метод теоретической физики состоит в том,
чтобы с помощью идеализации выразить сущностную основу
физических
процессов
и
взаимодействий,
используя
конструктивные теоретические модели, изобразить в теории
структуру сущностных связей и отношений природы, «способ
действия самой природы». В связи с этим понятно, почему Галилей
в полемике с последователями Аристотеля - Птолемея постоянно
подчеркивал, что они не уловили общий план мироздания или
исказили его.
При разработке своей системы мира Коперник исходил из
предположения, что Земля и планеты обращаются вокруг Солнца
по круговым орбитам. Чтобы объяснить сложное движение планет
по эклиптике, ему пришлось ввести в свою систему 48 эпициклов.
И лишь благодаря усилиям немецкого астронома Иоганна Кеплера
система мира Коперника приобрела простой и стройный вид.
Кеплер совершил следующий шаг - открыл эллиптическую форму
орбит и три закона, движения планет вокруг Солнца. Первые два
закона Кеплера были опубликованы в 1609 г., третий - в 1619 г.1
Наиболее важным для понимания общего устройства Солнечной
системы был первый закон, утверждавший, что планеты
См.:
Jumarie
G.A.
Relativistic
information
approach
of general Systems // Cybernetica, 1976. – Vol. 19 – N 4. – P. 273-304.
1
to
the
structural
dynamics
42
обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а Солнце
находится в фокусе одного из этих эллипсов. В свое время греки
предполагали, что все небесные тела должны двигаться по кругу,
потому что круг - самая совершенная из всех кривых. Хотя греки
знали многое об эллипсах и их математических свойствах, они не
дошли до понимания того, что небесные тела могут двигаться както иначе, нежели по кругам или сложным сочетаниям кругов.
Кеплер первым отважился высказать такую идею. Его законы
имели решающее значение в истории науки, прежде всего потому,
что они способствовали доказательству закона тяготения Ньютона.
Кеплер настаивал на физическом объяснении явлений природы,
не признавал теологических представлений (например, он
доказывал, что кометы являются материальными телами), а также
антропоморфного
понимания
природы,
наделения
ее
духоподобными силами, выступал против алхимиков и астрологов.
Учение Кеплера о законах движения планет имело огромное
значение для формирования физической картины мира, открывало
путь к поиску более общих законов механического движения
материальных тел и систем.1
В трудах современников Галилея и Кеплера итальянского
физика и математика Эванджелисты Торричелли и французского
математика, физика и философа Блеза Паскаля развивалась
экспериментальная физика. Кроме решения задачи о движении
тела, брошенного под углом к горизонту, Торричелли впервые
экспериментально доказал существование атмосферного давления в
опытах с трубками с ртутью. Паскаль вошел в историю физики как
автор закона о всесторонней равномерной передаче давления
жидкости,
закона
сообщающихся
сосудов
и
теории
гидравлического пресса.
Становление и дальнейшее развитие механики зависело от
математических описаний физических закономерностей, и в этом
направлении необходимо выделить работы французского ученого
Рене Декарта. Декарт заложил основы аналитической геометрии,
применил ее аппарат к описанию перемещений тел, разработал
понятия переменной величины и функции. В «Началах
философии», опубликованных в 1644 г., Декарт сформулировал три
См.: Раджабов О.Р., Гусейханов М.К. Формирование естественнонаучной картины мира. – М.: Наука, 2006.
– С. 38.
1
43
закона природы.1 Первые два выражают принцип инерции, в
третьем формулируется закон сохранения количества движения. В
познании мира Декарт ставил на первое место проницательность
ума. Он считал, что с помощью логических рассуждений можно
построить картину мира. Последователей Декарта называли
картезианцами (Картезий - латинизированное имя Декарта).
В мире Декарта материя тождественна пространству, все
пространство заполнено материей, пустоты нет. Атомы
отрицаются, материя делима до бесконечности. Все явления Декарт
сводил к механическим перемещениям. Все взаимодействия
осуществляются через давления, столкновения - одни части
материи давят на другие, толкают их. Весь мир заполнен
вихревыми движениями (движениями по кругу). Беспредельная
делимость материи у Декарта не вполне последовательно
сочетается с существованием «частиц материи». У Декарта
имеются три типа таких частиц - вездесущие частицы неба,
частицы огня и частицы плотной материи. Движение производится
силой, исходящей от Бога. Эта же сила делит непрерывную
материю на части и частицы и сохраняется в них, являясь
источником их кругового (вихревого) движения, при котором одни
частицы выталкиваются со своих мест другими.
Велика роль французского ученого и в развитии астрономии,
Вселенная рассматривалась им как саморазвивающаяся система.
Первоначально она находилась в хаотическом состоянии, затем
движение частиц материи приобрело характер центробежных
вихревых движений, в результате которых образовались небесные
тела, включая Солнце и планеты. Таким образом, возникновение
Солнечной системы и всей Вселенной происходит, по Декарту, без
божественного вмешательства, на основе законов природы, «Бог
так чудесно установил эти законы, что даже если предположить,
что он не создал ничего, кроме сказанного (т. е. материи и
движения), и не внес в материю никакого порядка, никакой
соразмерности, а, наоборот, оставил лишь самый невообразимый
хаос... то и в таком случае этих законов было бы достаточно, чтобы
частицы хаоса сами распутались и расположились в таком
1
См.: Декарт Р. Избранные произведения. – М.: Госкомиздат, 1950. – 712 с.
44
прекрасном порядке, что они образовали бы весьма совершенный
мир».1
Учение Декарта явилось единой наукой. Как и философы
древности, Декарт включил в свое учение натурфилософию.
Однако в основу своей натурфилософии Декарт положил механику,
и она носила механический односторонний характер, что было
характерно для физики того времени. Декарта можно считать
основоположником принципа близкодействия в физике. Волновая
теория света, теория электромагнитною поля, молекулярная физика
являются развитием идей Декарта. Действительно, в трудах многих
крупнейших физиков XIX в. можно найти идеи, которые являются
развитием идей Декарта, высказанных им еще в XVII в., и
фундаментальный принцип научного познания мира, согласно
Декарту, состоит в том, что наука должна не просто устанавливать
законы реального мира, но и находить причины всех явлений
природы. Весь мир, по Декарту, - machina mundi, это сложнейший
механизм, созданный величайшим мастером - Богом. Познание
мира сводится поэтому к конструированию его подобия на основе
умозрительных гипотез и с помощью математической теории. Если
Платон утверждал, что точную науку о природе создать
невозможно, то Декарт провозгласил прямо противоположное:
«Математика - самая достоверная из наук, она - основа физики»2.
Образ мира у Декарта дуалистичен: существует res extensa протяженный мир вещей и предметов и res cogitans непротяженный и неделимый мир духа, сознания. Источником
движения в мире является Бог.
Вплоть до нашего столетия в науке господствовала возникшая
в Новое время ньютоновско-картезианская парадигма – система
мышления, основанная на идеях Ньютона и Декарта. Последнему
принадлежала идея принципиальной двойственности реальности:
материя и мышление (сознание) являются различными,
независимыми, параллельными субстанциями, или мирами.
Другими словами, мир существует независимо от воли людей.
Поэтому материальный мир можно описать объективно, не
включая в описание человека-наблюдателя с его специфической
позицией, его субъективностью. Таким образом, идея строго
1
2
Декарт Р. Сочинения: В 13 т. – Т. 2. – М.: Мысль, 1989. - С. 360.
Декарт Р. Рассуждения о методе. – М.-Л., 1953. - С. 54.
45
объективной науки вытекает из декартовских онтологических
построений.
Картезианское разделение и механистическое мировоззрение с
свое время оказали благотворное влияние на развитие классической
механики, но они во многом отрицательно воздействовали на нашу
цивилизацию.
Современная
наука
пытается
преодолеть
ограниченность этого разделения и возвращается к идее единства,
которая высказывалась еще древними философами Греции и
Востока. Её суть состоит в том, что все чувственно
воспринимаемые
предметы
и
явления есть
различные
взаимосвязанные аспекты единой реальности, поэтому изучать
явления природы необходимо в их совокупности, взаимосвязи и
взаимодействии. Только при этом условии мы можем представить
картину мировых процессов, верно отражающую реальное
положение вещей и процессов окружающего мира.
Период формирования и становления физических наук
приходится примерно на XVII в.; начинается он с работ Галилея и
заканчивается исследованиями Ньютона. Галилей и Кеплер, исходя
из динамических и кинематических законов Аристотеля,
переосмысливали его механику и в итоге перехода от геоцентризма
к гелиоцентризму пришли к своим кинематическим законам. Эти
законы предопределили принципиально единую для земных и
небесных тел механику Ньютона со всеми сформированными им
классическими законами механики, включая закон всемирного
тяготения. Хотя Галилей, изучая свободное падение тел, первым
ввел понятие инерции и сформулировал принцип относительности
для
механических
движений,
известный
как
принцип
относительности Галилея, однако решающий вклад в становление
механики принадлежит английскому физику Исааку Ньютону.
Теоретическое знание может выполнить свои основные
функции лишь в том случае, если в нем отражена конкретная форма
детерминации
исследуемых
явлений,
прежде
всего
фундаментальные законы изменения состояния, взаимодействия.
Эту задачу блестяще разрешил И. Ньютон. Он ввел понятие силы
как причины изменения состояния движения, т. е. причины,
вызывающей изменение скорости движения по величине или по
направлению (или одновременно по величине и направлению). В
механике Ньютона источниками и точками приложения сил
46
являются материальные точки. Ньютон ввел также понятие
основного закона механики и сформулировал систему из трех
основных законов механики, названных впоследствии его именем.
Стройную логическую систему механистической картине мира
придали законы механики, полученные Ньютоном и изложенные в
его гениальной работе «Математические начала натуральной
философии» (кратко - «Начала») в 1687 г. Ньютон больше, чем ктолибо из других мыслителей его поколения, внес в научную картину
мира не только нового содержания, но и принципиально новый
стиль однозначного объяснения природы. Ньютон создал основы
теории гравитационного поля, вывел закон тяготения,
определяющий силу тяготения, которая действует на данную массу
в любой точке пространства, если заданы масса и положение тела,
служащего источником сил тяготения, т. е. притягивающего к себе
другие тела.
Динамические законы Ньютона не только следуют из
соответствующих кинематических законов Галилея и Кеплера, но и
сами могут быть положены в основу всех трех кинематических
законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также
всевозможных теоретически ожидаемых отклонений от них из-за
сложного строения и взаимных гравитационных возмущений
взаимодействующих тел.
Первый из ньютоновских законов движения гласит: «Всякое
тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или
равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не
понуждается приложенными силами изменять это состояние».1
Центральное место в системе трех законов механики занимает
второй закон Ньютона - основной закон движения. Он связывает
изменение состояния материальной точки с величиной и
направлением действующей на неё силы: изменение количества
движения пропорционально приложенной движущей силе и
происходит в направлении той прямой, по которой эта сила
действует. Данный закон позволяет объяснять и прогнозировать
изменения механического движения тела в зависимости от
величины и направления силы и от предшествующего состояния
движения. На его основе можно делать точные количественные
Ньютон И. Математические начала натуральной философии / Пер. А.Н. Крылова // Изв. Ник. морск.
академии. Вып. IV. - Пг., 1915. - С. 36.
1
47
расчеты
при
проектировании
механических
устройств
разнообразного назначения. Три основных закона Ньютона
непосредственно применимы к движению материальной точки, но
при помощи конструктивных теоретических моделей сложных
объектов, представляемых в виде систем материальных точек, на
их основе единообразным способом можно получить законы
движения сложных объектов.
Выдающейся заслугой Ньютона явилось установление
конкретного вида закона, определяющего величину действующей
силы для случая гравитационного взаимодействия, закона
всемирного тяготения. Существенно важно то обстоятельство, что в
рамках классической физики не была установлена природа
гравитации, как она не установлена и в современной физике. Тем
не менее, к досадному недоразумению, в философской литературе
иногда, само собой разумеется тождество между математическими
описаниями сил природы и физической их сущностью. Данная
оплошность часто вызывает отрицательное отношение к
философии со стороны физиков. Касаясь сущности физических тел,
ещё до И. Ньютона Г. Галилей в своем труде «Диалог о двух
главнейших системах мира» рассуждал: «… вы должны были бы
сказать, всякий знает, что это называется тяжестью, но я вас
спрашиваю не о названии, а о сущности вещи; об этой сущности вы
знаете ничуть не больше, чем о сущности того, что движет звезды
по кругу, за исключением названия, которое было к нему
приложено и стало привычным и ходячим благодаря опыту,
повторяющемуся на наших глазах тысячу раз в день. Но это не
значит, что мы в большей степени понимали и знали принцип или
ту силу, которая движет книзу камень, сравнительно с теми,
которые, как мы знаем, дают камню при отбрасывании движение
вверх или движет Луну по кругу. Мы не знаем ничего, за
исключением, как я сказал, названия, которое для данного
специального случая известно как «тяжесть», тогда как для другого
имеется более общий термин – «приложенная сила», или же
«образующее разумение», и для бесконечного множества других
движений выставляется причиной природа».1
И. Ньютон также столкнулся с проблемой объяснения природы
тяготения и вынужден был признать: «До сих пор я изъяснял
1
Галилей Г. Избранные труды. Диалог о двух системах мира. - М.: Наука, 1964. – Т. 1. – С. 364.
48
небесные явления и приливы наших морей на основании силы
тяготения, но я не указывал причину самого тяготения… Все же,
что не приводится из явлений, должно называться гипотезою,
гипотезам же метафизическим, физическим, механическим,
скрытым свойствам не место в экспериментальной философии.
В такой философии предложения выводятся из явлений и
обобщаются с помощью наведения … Довольно того, что тяготение
на самом деле существует и действует согласно изложенным нами
законам, и вполне достаточно для объяснения всех движений
небесных тел и моря».1 С самых первых страниц своих знаменитых
«Начал», касаясь природы тяготения, он замечает: «Эти понятия
должно рассматривать как механические, ибо я ещё не обсуждаю
физических причин и места нахождения сил».2
Как было упомянуто выше, в своих исследованиях природы И.
Ньютон все-таки надеялся отыскать причину гравитации, однако
после тщательного математического истолкования, о чем
свидетельствует следующее его рассуждение: «Я исследую в этом
сочинении не виды сил и физические свойства их, а лишь их
величины и математические соотношения между ними, как
объяснено в определениях. Математическому исследованию
подлежат величины сил и те соотношения, которые следуют из
произвольно поставленных условий. Затем, обращаясь к физике,
надо эти выводы сопоставить с совершающимися явлениями, чтобы
распознать, какие же условия относительно сил соответствуют
отдельным видам обладающих притягательною способностью тел.
После того, как это сделано, можно будет с большею уверенностью
рассуждать о родах сил, их причинах и физических между ними
соотношениях».3
Но уже в 1713 году в письме к епископу Бентли И. Ньютон
высказывает мысль, которая осталась наиболее характерной в его
понимании причин гравитации: «Нельзя представить себе, каким
образом неодушевленное грубое вещество могло бы – без
посредства чего-либо постороннего, которое нематериально, действовать на другое вещество иначе, как при взаимном
прикосновении. А как должно бы быть, если бы тяготение было, в
Ньютон И. Математические начала натуральной философии // Собр. тр. акад. А.Н. Крылова. Т. 7. - М.; Л.,
1936. - С. 661-662.
2
Там же. - С. 29.
3
Там же. - С. 244.
1
49
смысле Эпикура, присуще материи. Допустить, что тяготение
врожденно материи, присуще ей так, что одно тело должно
действовать на расстоянии через вакуум на другое без посредства
чего-либо постороннего, с помощью которого действие и сила от
одного тела приводится к другому, есть для меня такая нелепость,
что, полагаю, в нее не впадет ни один человек, способный к
мышлению о философских вещах. Тяготение должно причиняться
некоторым факторам, действующим согласно определенным
законам. Какой это фактор - материальный или нематериальный - я
представил размышлению читателя».1
Основываясь на законе всемирного тяготения, он считал, что
если бы в бесконечном пространстве Вселенной существовало
конечное количество космической материи, сосредоточенной
локально, в каком-либо одном месте, то под действием
гравитационного притяжения все материальное слиплось бы в одну
сплошную массу с высокой плотностью. В одном из своих писем
он писал: «Если материя равномерно распределена в бесконечном
пространстве, то она никогда не смогла бы собраться в единую
массу, но часть её собралась бы в одну массу, часть – в другую, с
тем чтобы образовать бесконечное количество больших масс,
рассеянных на значительных расстояниях друг от друга по всему
бесконечному пространству».2
Так, основываясь на данном соображении, И. Ньютон
разработал в качестве противоположной модели с конечным
количеством материи космологическую модель с бесконечным
количеством материи, т. е. в бесконечном пространстве Вселенной
находилось и бесконечное количество космической материи в виде
известных в то время форм астрономической организации материи
как звезды, планеты, кометы и т. п. Данная космологическая модель
интуитивно казалась в совершенстве удовлетворяющей всем
требованиям механистической картины мира и «здравого смысла».
Ньютону
принадлежит
также
открытие, имеющее
принципиальное методологическое значение, - законы движения
существенно связаны с законами сохранения (он установил, что
закон сохранения количества движения является следствием
второго и третьего законов механики). Позже были открыты
1
2
Климишин И.А. Релятивистская астрономия. - М., 1989. - С. 33.
Клайн М. Математика. Утрата определенности. - М., 1984. - С. 73.
50
законы сохранения «живых сил» (закон сохранения энергии в
механическом движении - Г. Лейбниц, И. Бернулли, Ж. Лагранж)
и момента вращения (Л. Эйлер, Д. Бернулли). И. Ньютон полагал,
что мир состоит из корпускул, образующих тела и заполняющих
пустоты между ними. Молодой Ньютон считал, что взаимодействие
через пустоту осуществляет Бог. Позднее он приходит к гипотезе
эфира как переносчика взаимодействия.
Научной философией Ньютона являлась экспериментальная
философия. В ее основу были положены следующие правила
философствования:
1. Не должно приписывать природных причин сверх тех,
которые истинны и достаточны для объяснения явлений.
2. Следует, насколько возможно, приписывать одним и тем же
следствиям одни и те же причины.
3. Основой научных доказательств является эксперимент,
причем непосредственный, а не мысленный, как это предлагал
Декарт.
«Вера Ньютона в определенный порядок в природе,
закономерность, его убежденность в существовании причинноследственных связей между явлениями природы дали ему
возможность математически обосновать эти зависимости, создать
метод «флюксий» – основу дифференциального и интегрального
исчислений. Возможность применения математического описания к
самым различным областям знания указывала на то, что
внутренние процессы в природе протекают во многом одинаково.
Природа предстала перед учеными как единая, взаимосвязанная
система».1 Принципы построения «Начал», где изложена
механистическая картина мира, Ньютон заимствовал у Евклида:
сначала формулируются аксиомы, или законы, затем из них
выводятся следствия, которые можно проверить на опыте. Декарт
развивал гипотетическую физику, в основе которой лежали
умозрительные предположения, не следующие непосредственно из
опыта. Физика принципов Ньютона основана на введении аксиом,
которые могут не иметь логического обоснования, но истинность
которых доказывается опытом.
Грибанов Д.П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности. - М.: Наука, 1987.
- С. 81.
1
51
Ньютоном введены три физических понятия: во-первых, масса
как мера инертности тел, во-вторых, сила - фактор, который
изменяет состояние покоя или равномерного и прямолинейного
движения, и ускорение - характеристика свойств пространства и
времени. Эти свойства пространства и времени, согласно Ньютону,
парадоксальны: речь идет у него об абсолютно пустом
пространстве и абсолютном времени. Такое представление этих
понятий всегда вызывали большие споры. Сам Ньютон вкладывал в
них теологический смысл. Бог, писал он, - это «бестелесное
существо, живое, разумное, всемогущее, которое в бесконечном
пространстве, как бы в своем чувствилище, видит все вещи вблизи,
прозревает их насквозь и понимает их благодаря непосредственной
близости к ним»1. Ко времени Лапласа эти теологические
рассуждения Ньютона были прочно позабыты.
Введенная Ньютоном в законе всемирного тяготения сила
гравитации непонятно как и чем передается: речь шла о
мгновенном взаимодействии тел, передаваемом на любые
расстояния, причем без каких-либо посредников. Это был
загадочный принцип дальнодействия. Декарт пытался снять
проблему, заполнив пространство эфирными вихрями. Ньютон
опроверг эту гипотезу как необоснованную: «причину свойств силы
тяготения я до сих пор не смог вывести из явлений. Гипотез же я не
измышляю»2.
Позднее стало ясно, что для гравитации и других сил можно
ввести понятие потенциала, определенного в каждой точке
пространства. А это уже понятие поля, которое и можно
рассматривать в качестве переносчика взаимодействия. Ключевыми
метафизическими категориями в механистической картине
мироздания были понятия массы и инерции. Загадкой, не имевшей
никакого объяснения, оставалось равенство гравитационной и
инертной масс, которое с высокой точностью было доказано в
конце XVIII в. в опытах Г. Кавендиша.
Период становления механики со временем превратился в
период ее торжества. Механика стала парадигмой мировоззрения.
Все, что создал сам человек, все, что есть в природе, имеет,
Грибанов Д.П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности. - М.: Наука, 1987.
- С. 47.
2
Ньютон И. Математические начала натуральной философии / Пер. А.Н. Крылова // Изв. Ник. морск.
академии. Вып. IV. Пг.: 1915. - С. 45.
1
52
считалось, единую механическую сущность. Этому способствовали
и дальнейшие открытия в естествознании, особенно в астрономии
более позднего периода.
На
формирование
механистической
картины
мира
потребовалось несколько столетий, и завершилось оно лишь к
середине XIX в. Ее следует рассматривать как важный этап в
становлении физической картины мира. Механистическая картина
мира формировалась как общенаучная картина мира и
целенаправляла исследования в самых различных областях знания
(химия,
биология,
социальном
познании),
способствуя
установлению единства научного знания. Синтез знаний,
осуществляемый в ее рамках, был связан с редукцией различных
процессов к механическим, что обосновывалось системой
философско-мировоззренческой оснований, в которых идеи
механицизма играли доминирующую роль.
Законы, с которыми имеет дело классическая механика, имеют
универсальный характер, т. е. они относятся ко всем без
исключения изучаемым объектам природы. Отличительная
особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания,
полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный
характер. Наиболее ярко они проявились после того, как на основе
закона всемирного тяготения и законов механики возникла
небесная механика. На основе законов небесной механики были
вычислены отклонения в движении Урана, вызванные
возмущающим влиянием неизвестной тогда планеты. Определив
величину возмущения, независимо друг от друга по законам
механики положение неизвестной планеты рассчитали Д. Адамс и
У. Леверье. Всего на угловом расстоянии в 10 от рассчитанного ими
положения И. Галлей обнаружил планету Нептун. Открытие
Нептуна, сделанное «на кончике пера», как отметил Ф. Энгельс,
блестяще подтвердило справедливость законов небесной механики
и наличие в природе однозначных причинно-следственных связей,
это позволило французскому механику П. Лапласу сказать: дайте
мне начальные условия и я, с помощью законов механики,
подскажу дальнейшее развитие событий. Это вошло в историю как
лапласовый или механистический детерминизм, который допускает
однозначные причинно-следственные связи в явлениях природы.
53
В данной системе мира вещества состоят из атомов и молекул,
находящихся в непрерывном движении. Взаимодействия между
телами происходят при непосредственном контакте (при действии
сил упругости и трения) и на расстоянии (при действии сил
тяготения). Пространство заполнено всепроникающим эфиром.
Взаимодействие атомов рассматривается как механическое. Нет
понимания сущности эфира. Согласно механистической картине
мира, гравитационные силы связывают все без исключения тела
природы, они являются не специфическим, а общим
взаимодействием. Законы тяготения определяют отношение
материи к пространству и всех материальных тел друг к другу.
Тяготение создает в этом смысле реальное единство Вселенной.
Таким образом, «Ньютон свел многочисленные силы притяжения к
одной гравитационной силе и открыл закон всемирного тяготения,
из которого следовало, что не только планеты, но и их спутники,
кометы и другие тела Солнечной системы взаимодействуют друг с
другом. Было теоретически и практически доказано, что все
материальные тела Вселенной связаны между собой силами
гравитации».1 Объяснение характера движения небесных тел и
даже открытие новых планет Солнечной системы было триумфом
ньютоновской теории тяготения. Механистическая картина мира
была основана на следующих четырех принципах:
1. Мир строился на едином фундаменте - на законах механики
Ньютона. Все наблюдаемые в природе превращения, а также
тепловые явления на уровне микроявлений сводились к механике
атомов и молекул, их перемещениям, столкновениям, сцеплениям,
разъединениям. Считалось, что открытие в середине XIX в. закона
сохранения и превращения энергии также доказывало
механическое единство мира.
2. В механистической картине мира все причинноследственные связи однозначные, здесь господствует лапласовый
детерминизм. В мире существует точность и возможность
предопределения будущего. В соответствии с механической
картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный
механизм, действующий по законам строгой необходимости, в
Грибанов Д.П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности. - М.: Наука, 1987.
- С. 82.
1
54
котором все предметы и явления связаны между собой жесткими
причинно-следственными отношениями.
3. В механистической картине мира отсутствует развитие —
мир в целом таков, каким он был всегда. Механистическая картина
мира фактически отвергала качественные изменения, сводя все к
чисто количественным изменениям.
4. Механистическая картина исходила из представления, что
микромир аналогичен макромиру. Считалось, что механика
микромира может объяснить закономерности поведения атомов и
молекул.
Данная парадигма господствовала в естествознании до
середины второй половины XIX в. По своей сути эта картина мира
является метафизической, поскольку в ней отсутствуют внутренние
противоречия, качественное развитие, все происходящее в мире
жестко предопределено, а все разнообразие мира сведено к
механике. В механистической картине мира понимание сводится к
построению механической модели: если я могу представить такую
модель – я понимаю, если не могу - значит, не понимаю его.
Рационально-механический образ этого мира демонстрирует
нам мир как единый и единственный: мир твердой материи,
который подчинен жестким однозначным законам. Человек в этом
мире - ошибка, курьезный случай, побочный продукт звездной
эволюции. Полагая человека случайностью, механистическая наука
не интересуется его судьбой, его целями и ценностями, которые
выглядят смешными в грандиозной машине Вселенной, похожей на
огромный полностью детерминированный часовой механизм, в
котором действует непрерывная цепь взаимосвязанных причин и
следствий.
Дальнейшая эволюция физических картин мира делала их все
менее наглядными даже в новом смысле - в смысле теоретической
образности. Однако сохранялась основная функция физической
картины мира на теоретическом уровне познания - быть системой
общих логических форм, в которых осмысливается реальность
определенной области процессов. И эта функция определялась
способностью этих форм выражать фундаментальные связи и
отношения, существующие в природе, стать парадигмой
физической картины мира того периода.
55
Содержание физической картины мира одновременно задает и
способ мышления физика, способ теоретического видения и
понимания мира, доминирующие в физике данного периода
логические формы анализа (создание и применение идеализации) и
синтеза (построение конструктивных теоретических моделей
реальности из идеализированных образов).
В условиях XVII - XVIII вв. естествоиспытателям, а вслед за
ними и философам казалось, что представления механистической
картины мира совпадают с общефилософскими категориями:
особенное принималось за всеобщее, или, точнее, само всеобщее
воспринималось лишь в его особенной форме. В таком
отождествлении
всеобщего
и
особенного
заключалась
методологическая предпосылка будущие кризисов мировоззрения,
когда с изменением физических картин мира создались иллюзии
«исчезновения» материи, пространства, времени, причинности.
Механистическая картина мира, полностью входящая тогда в
содержание физической теории как её концептуальная парадигма,
является связующим звеном между физикой и философией.
Популяризация механики Ньютона способствовала возникновению
механистической физической картины мира, в которой Вселенная
представлялась в виде мировой машины или механизма,
подчиняющегося законам механического движения. Механика
Ньютона стала научной основой создания первых концепций
строения Вселенной и образования структур и причинных связей в
ней. Открытия Ньютона, утверждал Эйнштейн, явились первым
наиболее полным физическим подтверждением философской идеи
о причинной взаимосвязи явлений природы, ибо «до Ньютона не
существовало законченной системы физической причинности,
системы, которая бы как-то отражала более глубокие черты
внешнего мира».1
По своей сути эта картина мира являлась метафизической, все
многообразие мира сводилось к механике, качественное развитие,
как и все происходящее и мире, представлялось строго
предопределенным и однозначным.
Метафизические взгляды на картину мира приводили и самого
Ньютона к постоянному отступлению от естественнонаучного
мировоззрения и к объяснению явлений сверхъестественными
1
Эйнштейн А. Собр. науч. тр. – М., 1967. Т. 4. - С. 82.
56
силами, т. е. вмешательством Бога. Ньютон полагал, что Солнечная
система от века существует такой, какой мы ее знаем сейчас. Но и в
таком случае начальное положение планеты на орбите и ее
начальная скорость не находят физического объяснения. По
Ньютону, планеты получили начальную скорость в виде толчка от
Бога. Устойчивость Солнечной системы также не находит своего
объяснения с помощью одних только сил тяготения, и Ньютон
оставляет здесь место действию божественных сил.
Таким образом, Ньютонова концепция сил отводила
определенную роль в природе Богу, в отличие от картезианской
физики, которая каждое явление объясняла специальной моделью
вихря и согласно которой Бог, однажды создав природу, уже
больше в нее не вмешивается. В философских моделях
мировоззрения это нашло глубокое отражение во всей
противоречивости и сложности, присущей духовному миру
человека в эпоху освобождения от пут схоластики.
Физическая картина мира в собственном смысле слова, как мы
уже отметили, начинает формироваться только в эпоху
возникновения научного естествознания в XVI - XVII вв.
Анализируя процесс перестройки сознания в эпоху XVI - XVII вв.,
западный исследователь экстерналистского направления Э.
Цильзель пришел к выводу, что становление новых буржуазных
экономических отношений, пронизанных духом рационализма,
привело к постепенному ослаблению религиозного, магического
восприятия мира и укреплению рациональных представлений о
мироздании. А поскольку развитие производства потребовало
развития механики, то картина мира данной эпохи приобрела
механистический характер.
В истории научного знания классическая механика была новой
теоретически развитой областью естествознания, ставшей основой
и механистической картины мира. Механистическая картина мира
была и остается тем началом, на котором основываются
последующие картины мира, опирающиеся на успехи синергетики
или идеи глобального эволюционизма.
Одной из характерных черт общенаучной картины мира
является то, что ее основой выступает картина мира той области
познания, которая занимает лидирующее положение в данный
исторический период. В XVII - XVIII вв. лидирующее положение
57
среди наук занимала механика, поэтому эта физическая картина
мира получила название механистической. Законы механики
распространялись также на природу в целом, общество и на
человека.
1.3. Электромагнитная картина мира классической физики
в свете классической рациональности
К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество пришло к мысли,
что механистическая теория практически полностью сняла все
проблемы физической картины мира. Казалось, оправдываются
слова, сказанные об авторе «Начал»: Ньютон был не только
величайшим, но и счастливейшим из смертных, ибо систему мира
можно создать только один раз. «Космология Ньютона стала
первой в истории науки подлинно всеобъемлющей гипотетикодедуктивной системой мироздания»1.
Явления переноса теплоты объясняли с помощью
механической субстанции - теплорода, были придуманы и другие
такие жидкости - электрические и магнитные субстанции.
Положение начало меняться в связи с успехами
термодинамики. В середине XIX в. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г.
Гельмгольц открыли закон сохранения энергии.
В первой половине XVIII в. были сделаны новые шаги в
изучении электрических явлений. Английский физик Стефен Грей
открыл в 1729 г. явление электропроводности. Он обнаружил, что
электричество может передаваться от одного тела к другому по
металлической проволоке или прядильной нити, но не передается
по шелковой нити, и разделил все вещества на проводники и
непроводники электричества. Французский физик Шарль Франсуа
Дюфе
вывел существование
двух родов электричества и
установил, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а
разноименно заряженные - притягиваются.
Следующим важным шагом в изучении электрических явлений
было изобретение лейденской банки, которое позволило получать
значительные электрические заряды и экспериментировать с ними.
Физиологическим
действием
электрического
разряда
1
Философия науки / Под ред. Лебедева С.А. – М.: Трикста, 2004. - С. 595.
58
заинтересовались врачи, у которых появились предположения, что
электричество играет важную роль в деятельности живых
организмов. Практическое значение исследования электрических
явлений приобрели также в связи с исследованием атмосферного
электричества и открытием электрической природы молнии. Здесь
необходимо отметить работы известного американского ученого,
просветителя и государственного деятеля Бенджамина Франклина,
предложившего, в частности, молниеотвод. Исследования
атмосферного электричества продолжили петербургские ученые
Георг Вильгельм Рихман и Михаил Васильевич Ломоносов. Во
время эксперимента при грозе 26 июня 1735 г. Рихман погиб от
удара молнии.
Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме
начинается с установления основного закона электростатики и
магнитостатики - закона Кулона. В 1780-х гг. французский физик и
инженер Шарль Огюстен Кулон непосредственно измерил силы,
действующие между электрическими зарядами, и вывел основной
закон электростатики (1785 г.). Для определения силы
взаимодействия
между
электрическими
зарядами
Кулон
сконструировал весьма чувствительный прибор - крутильные весы.
При этом он использовал открытый им ранее закон
пропорциональности между углом закручивания упругой нити и
моментом силы. Кулон исследовал также взаимодействия между
магнитами и подтвердил закон о том, что сила взаимодействия
между полюсами магнитов обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними.
Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой
уравнений классической электродинамики. Они известны как
уравнения Максвелла. Это закон Ш. Кулона, который полностью
qq
r
эквивалентен закону Всемирного тяготения Ньютона ( F  k 1 2 2 );
магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни
конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле
создается переменным магнитным полем; магнитное поле может
создаваться как электрическим током, так и переменным
электрическим полем.
Таким образом, были сформулированы новые физические и
философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во
многом изменившие прежнюю механическую картину мира. Но
59
нельзя сказать, что эти изменения были кардинальными, так как
они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую
электромагнитную картину мира можно считать промежуточной,
соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические
представления о мире.
Французский математик, механик и физик Симеон Дени
Пуассон в 1811 г. вывел дифференциальное уравнение,
связывающее потенциал с плотностью распределения зарядов. Для
сложных задач, когда есть много зарядов, расположенных
произвольным образом, рассчитать зависимость потенциала от
координат можно только с помощью этого уравнения Пуассона. В
дальнейшем Пуассон применил его и к теории магнетизма.
В развитии аналитической теории электростатики и
магнитостатики важную роль сыграли также работы английского
математика и физика Джордана Грина и немецкого математика,
астронома и физика Карла Фридриха Гаусса. Грин ввел понятие
потенциала, нашел соотношение между интегралом по объему и
интегралом по поверхности, ограничивающей объем, позволяющее,
в частности, определять распределение электрических сил в
пространстве. Гаусс доказал известную теорему, связывающую
величину потока напряженности поля с зарядом, находящимся
внутри этой поверхности, и изложил основы теории потенциала.
Таким образом, первый этап развития учения об электричестве
и магнетизме, относящийся к XVIII в., заключался в исследовании
законов равновесия электрических зарядов и магнитов. Были
установлены основные законы взаимодействия электрических
зарядов и магнитов, а затем (в первой половине XIX в.) создан
соответствующий математический аппарат.1
В конце XVIII в. ученые начали исследовать закономерности
электрического тока, его действия. Возникла и развивалась
электродинамика. Она в первой половине XIX в., так же, как и
электростатика, основывалась на принципе дальнодействия. Начало
развития электродинамики связано с открытием первого источника
постоянного тока, которое обязано исследованиям итальянского
анатома и физиолога Луиджи Гальвани. Исследуя физиологическое
действие электрического тока и роль электричества в процессах,
См.: Омельяновский М.Э. Проблема элементарности частиц в квантовой физике // Философские проблемы
физики элементарных частиц. – М.: Наука, 1964. – 320 с.
1
60
происходящих в живом организме, он открыл так называемое
гальваническое электричество. Как физиолог, Гальвани при
исследовании электрических явлений при мышечном сокращении
пришел к выводу о существовании «животного электричества».
Соотечественник Гальвани физик и физиолог Алессандро Вольта
проверил опыты Гальвани и пришел к выводу о физической
природе явления. Он показал, что электризация происходит при
соприкосновении различных веществ, в том числе и металлов.
Подобные исследования привели Вольта в 1800 г. к изобретению
первого гальванического элемента, получившего название вольтова
столба.
Исследовать магнитное действие электрического тока
начинают после открытия датским физиком Хансом Кристианом
Эрстедом действия электрического тока на магнитную стрелку.
Так, французский ученый и политический деятель Доминик
Франсуа Араго показал, что вблизи проводника с электрическим
током железные опилки намагничиваются. Французские физики
Жан Батист Био и Феликс Савар установили один из законов
электродинамики, измерив магнитное поле прямого электрического
тока (1820 г.).1
Открытие Эрстедом в 1820 г. магнитного действия тока
показало, что между магнитными и электрическими явлениями
существует связь и что магнитные действия можно получить при
помощи электрических токов.
Важные результаты в области электромагнетизма были
получены французским ученым Андре Мари Ампером. Он показал
на опыте, как взаимодействуют два прямолинейных проводника с
током, два замкнутых проводника с током, соленоид и магнит,
продемонстрировал эквивалентное поведение соленоида и
магнитной стрелки в поле земного магнетизма. В 1826 г. был издан
основной труд Ампера «Теория электродинамических явлений,
выведенная исключительно из опыта». Он использовал понятия
«сила тока», «напряжение», хотя и не приводил четкой
формулировки этих понятий. Амперу также принадлежат идеи
создания прибора для измерения силы тока (амперметра),
электромагнитного телеграфа. По существу, была создана новая
См.: Баженов Л.Б. Картина мира и её функции в научном исследовании – Научная картина мира. Логикогносеологический аспект. – М.: Наука, 1981. – 132 с.
1
61
наука об электричестве и магнетизме, и даже термин
«электродинамика» был введен Андре Мари Ампером. Он пришел
к заключению, что все магнитные явления в природе, в том числе и
связанные с постоянными магнитами, вызваны электрическими
токами (теория молекулярных токов Ампера).
Дальнейшими достижениями того периода мы обязаны
английскому физику Майклу Фарадею. Из них особое значение
имело открытие явления электромагнитной индукции, которое
легло в основу электротехники. Фарадей исходил из основной идеи
о взаимной связи явлений природы. Он считал, что если ток
способен вызывать магнитные явления, то и при помощи магнитов
или других токов можно получить электрические токи. В
результате настойчивых и многочисленных попыток Фарадей
действительно открыл в 1831 г. явление электромагнитной
индукции, которое еще более укрепило представление о связи
между электричеством и магнетизмом.1
Второй важнейшей идеей в работах Фарадея было признание
основной, определяющей роли промежуточной среды в
электрических явлениях. Фарадей не допускал действия на
расстоянии и считал, что электрические и магнитные
взаимодействия передаются промежуточной средой, что именно в
этой среде протекают основные электрические и магнитные
процессы. В теории электромагнитной индукции Фарадей развил
новые взгляды на природу электричества, основанные на принципе
близкодействия. Наряду с понятием магнитных силовых линий
Фарадей использовал представления о линиях электрического
смещения, об их густоте, о том, что они стремятся отталкиваться и
т. д.
К другим открытиям Фарадея в области электромагнетизма
относятся открытие в 1848 г. явления вращения плоскости
поляризации света, распространяющегося в прозрачных веществах
вдоль линий напряженности магнитного поля (эффект Фарадея),
открытие в 1845 г. явлений диамагнетизма и парамагнетизма,
установление связи оптических явлений с магнетизмом. Тела,
обладающие обычными магнитными свойствами, Фарадей называл
парамагнитными, остальные - диамагнитными.
1
См.: Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 1983. – 464 с.
62
Основные теоретические представления Фарадея, его
концепция близкодействия (согласно которой взаимодействия
между телами осуществляются посредством тех или иных полей,
непрерывно распределенных в пространстве) не были восприняты
современниками. Первым обратил на них серьезное внимание
Джеймс Клерк Максвелл. В его работах идеи Фарадея были
углублены, развиты и превращены в строгую математическую
теорию. В трудах Максвелла идея о тесной связи электрических и
магнитных явлений получила окончательное оформление в виде
двух основных теоретических положений и была в строгой форме
выражена в виде системы четырех уравнений классической
макроскопической электродинамики, получивших название
уравнений Максвелла.1 Расширилось также и понятие движения.
Оно стало пониматься не только как простое механическое
перемещение, но и как распространение колебаний в поле.
Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое
господствующее место законам электродинамики Максвелла.
Первоначально теория Максвелла не привлекла должного
внимания, так как в Германии господствовали взгляды Вильгельма
Эдуарда Вебера, в Англии ее также встретили прохладно. Не
принял представления о токе смещения и о возможности оказания
давления электромагнитной волной, в том числе светом, У. Томсон
(лорд Кельвин). Учение о движении энергии волны разработали
российский физик-теоретик Николай Алексеевич Умов и
английский физик Джон Генри Пойтинг.
Потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла
стала достоянием физики. Решающую роль в признании
максвелловской теории большинством физиков сыграл немецкий
физик Генрих Рудольф Герц. Эксперименты, проведенные Герцем
на вибраторе с резонатором, подтвердили тождественность
электромагнитных и световых волн. Среди многочисленных
повторений опытов Г. Герца особое место занимают опыты
российского физика Петра Николаевича Лебедева. Существенным
подтверждением электромагнитной теории света явились опыты
Лебедева по определению давления света на твердые тела (1900 г.)
и газы (1908 г.). Подлинным триумфом теории Максвелла было
1
См.: Максвелл Дж.К. Трактат об электричестве и магнетизме. – М., 1989. – 340 с.
63
первое практическое применение электромагнитных волн для
связи.
Дж. К. Максвелл не только внес решающий вклад в развитие
молекулярно-кинетической
концепции,
базировавшейся
на
представлениях механистической картины мира, но и создал
теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис и крушение
этой картины. В работах Максвелла идеи Фарадея подверглись
дальнейшему углублению и развитию и были превращены в
строгую математическую теорию. Поэтому теория Максвелла
явилась завершением важного этапа в развитии учения об
электричестве и привела к классическому представлению об
«электрическом поле, содержащем в общем случае и
электрическое, и магнитное поля, связанные между собой и
способные взаимно превращаться друг в друга»1. Теория
Максвелла не только объяснила уже известные факты, но и
предсказала новые и важные явления. Совершенно новым в этой
теории явилось предположение Максвелла о магнитном поле токов
смещения. На основе этого предположения Максвелл теоретически
предсказал существование электромагнитных волн, т. е.
переменного электромагнитного поля, распространяющегося в
пространстве с конечной скоростью. Вскоре Г. Герц обнаружил
такие волны экспериментально и подтвердил, что скорость их
распространения
равна
скорости
света.
Теоретические
исследования свойств электромагнитных волн привели затем
Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно
которой «свет представляет собой также электромагнитные
волны»2. В дальнейшем электромагнитные волны действительно
были получены на опыте, а еще позднее электромагнитная теория
света, а с нею и вся теория Максвелла, получили полное и
блестящее подтверждение.
Таким образом, во второй половине XIX в. на основе
исследований М. Фарадея и Д. Максвелла возникла
электромагнитная картина мира. «Сам Максвелл, по мнению
Эйнштейна, еще был убежден в том, что электродинамические
процессы можно рассматривать как движение эфира, и даже
использовал механику при выводе уравнений поля. Однако со
1
2
Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. – М., 1954. – С. 349.
Там же.
64
временем становилось все более ясным, что сведение уравнений
электромагнитного поля к уравнениям механики невозможно».1
Электромагнитная картина мира также не свободна от
недостатков. Так, в ней не рассматриваются вероятностные
подходы; по существу, вероятностные закономерности не
признаются фундаментальными, сохранены детерминистский
подход Ньютона к описанию отдельных частиц и жесткая
однозначность причинно-следственных связей (что сейчас
оспаривается синергетикой), ядерные взаимодействия и их поля
объясняются не только электромагнитными взаимодействиями
между заряженными частицами.
Механистическая картина мира, как уже говорилось, опиралась
на представление, что силы действуют по направлению прямой,
соединяющей взаимодействующие тела (материальные точки), т. е.
являются центральными силами. Другими словами, в картине мира
классической механики все взаимодействия сводились к
притяжению частиц. Это было, пожалуй, главным основанием для
того, чтобы в рамках ньютоновской системы абстрагироваться от
роли промежуточной среды в передаче взаимодействия.
Механистическая картина мира осуществила описание объектов,
как если бы они существовали изолировано, в строго заданной
системе координат. Основным условием становилось требование
элиминации всего того, что относилось к субъекту познания, к
возмущающим факторам и случайностям. Объяснительным этапом
считалась однозначная причинно-следственная зависимость,
которая явилась одной из предпосылок возникновения
метафизического метода мышления. Мир в такой картине мира
построен на основе законов механики. Все виды энергии на основе
закона сохранения и превращения энергии сводятся к энергии
механического движения. Все объясняется механикой атомов, их
перемещением, столкновением, взаимодействием и взаимосвязями.
Таким образом, не будучи по философским основаниям
сторонником принципа дальнодействия (действия на расстоянии),
И. Ньютон должен был в силу указанных выше обстоятельств все
же принять такую форму закона тяготения, которая не содержала
ссылок на какие-либо процессы в промежуточной среде и
Грибаков Д.П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности. – М.: Наука, 1987.
– С. 95.
1
65
характеризовала силу тяготения так, как если бы она действовала
непосредственно, без участия среды. Позже исследования Кулона
показали, что закон взаимодействия электрических зарядов
аналогичен
закону
тяготения
сила
взаимодействия
пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату
расстояния. Правда, вещественная среда влияет на величину
кулоновской силы, но только в том отношении, что дополнительно
ослабляет ее по сравнению с взаимодействием в вакууме. Однако в
содержание закона не входят никакие внешние признаки процесса,
посредством которого среда передает кулоновское взаимодействие.
При том уровне знаний и точности измерений, на котором
были установлены эти законы, особенности процесса, посредством
которого передавалось тяготение или кулоновское взаимодействие,
не сказывались явным образом на математическом выражении
закона. В силу этого любые предположения о том, как именно
действует «внутренний механизм» тяготения, не имели реального
конструктивного значения, прежде всего потому, что их нельзя
было проверить. Это обстоятельство важно для понимания того,
какого рода гипотезы И. Ньютон не хотел измышлять.
Только тогда, когда было обнаружено, что смещение перигелия
Меркурия на 43 угловые секунды в столетие не объясняется
ньютоновым законом тяготения, А. Эйнштейн мог высказать
гипотезу о влиянии тяготения на промежуточную среду и уточнить
закон тяготения.
С открытием X. К. Эрстеда возникла принципиально новая
ситуация, противоречившая представлениям механистической
картины мира: на
определенном расстоянии от проводника с
током на магнитную стрелку действовала сила, которая не
притягивала и не отталкивала, а лишь стремилась вращать стрелку
вокруг проводника.
Вслед за открытием Эрстеда А. Ампер доказал на опыте, что
круговой электрический ток создает магнитное поле, направленное
по оси круга. Тем самым были выявлены не только удивительная
симметрия электрических и магнитных явлений (прямолинейный
проводник с током создает магнитное поле, направленное по кругу
вокруг проводника; круговой ток создает магнитное поле,
направленное по оси круга), но и их глубокое внутреннее единство,
66
взаимопорождение. Эта идея приведет через десять лет М. Фарадея
к открытию электромагнитной индукции.
В то же время радикальное противоречие с важнейшим
принципом классической физической картины мира - принципом
центральных сил - вынуждало признать активную роль среды,
окружающей проводники или магниты, в том числе и физического
«вакуума». По-видимому, ток в прямолинейном или круговом
проводнике как-то изменяет состояние среды, так что на
магнитную стрелку действуют уже не сами заряды в проводнике, на
неё действует то особое состояние среды, которое возникало в том
месте, где находилась стрелка. Таким образом, становилось
необходимым существенно изменить представления физической
картины мира, включив в нее принципиальную роль
промежуточной среды.
Эрстед, по существу, установил решающий факт, существенно
повлиявший затем на переход от механистической картины мира
к
новой, электромагнитной. Вопреки
узкоэмпирической
концепции научного познания, открытия в науке возникают не
просто в результате накопления суммы фактов, а путем
теоретического осмыслении решающих для данной проблемы
фактов.
Таким
решающим
фактом
для
открытия И.
Ньютоном закона тяготения явилось совпадение характеристик
свободного падения тел на Земле («падающее яблоко») и
свободного «падения» Луны при ее движении вокруг Земли.
Решающим
фактом в
разработке
общей
теории
относительности
станет для А. Эйнштейна равенство
инерционной и тяготеющей масс. Соответственно
такому
пониманию
роли решающих фактов следует говорить и о
решающих экспериментах: это вовсе не «эксперименты креста», о
которых писал Ф. Бэкон, надеясь с их помощью выбрать одну из
альтернативных гипотез, это эксперименты, устанавливающие
решающие факты. Именно таким экспериментом в сфере изучения
электричества и магнетизма был эксперимент Эрстеда.
Важный шаг в возникновении новой физической картины мира
был сделан М. Фарадеем. Он сосредоточил внимание на новом
предмете физического исследования. Именно среда, которая в
ньютоновской физике могла не учитываться (или учитываться
лишь как расстояние между взаимодействующими телами), стала
67
предметом специального изучения как носитель принципиально
важных
процессов,
передающих
взаимодействие.
Электромагнитная картина мира требовала нового решения
проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип
дальнодействия
заменялся
фарадеевским
принципом
близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия
передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной
скоростью. Кроме того, М. Фарадей перешел к исследованию
опосредованного средой процесса превращения магнетизма в
электрический ток, электрического тока в одном контуре в
электрический ток в другом контуре (так называемой взаимной
индукции). В ходе этого исследования им были сделаны
выдающиеся открытия, обнаружены новые решающие факты,
которые
предопределили
последующее
создание
теории
электромагнитного поля.
Кардинально изменились представления о материи. Согласно
электромагнитной картине мира, материя существует в виде
вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в
друга невозможно. Главным из них является поле, а значит,
основным свойством материи является непрерывность в противовес
дискретности.
Согласно этой картине, материя существует в двух видах: в
виде вещество и в виде поля. Между указанными видами материи
имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле, а
поле не превращается в вещество. Известны два вида поля –
электромагнитное и гравитационное, соответственно – два вида
фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества,
непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное
взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные
явления, но и другие – оптические, химические, тепловые. Теперь
всё стремятся свести к электромагнетизму. Вне сферы господства
электромагнетизма остается лишь тяготение.
После многолетних безуспешных попыток обнаружить
порождение постоянным током в одном контуре постоянного тока
в другом, а также порождение постоянным магнитным полем
постоянного тока в проводнике М. Фарадей в 1831 г. установил, что
в момент изменения величины тока в одном контуре в
расположенном рядом контуре на короткое время возникает
68
электрический ток. В момент движения магнита около катушки в
ней тоже на короткое время возникает электрический ток.
Принципиально новым было здесь не только то, что процесс какимто образом передавался через физический вакуум, которому
приходилось теперь приписывать свойства особой среды. Новым
по сравнению с картиной мира классической физики было и то, что
представления о постоянном воздействии одного тела на другое
(как это было в случае тяготения или взаимодействия электрически
заряженных тел) замещались представлениями о передаче
импульсов или воли в момент изменения состояния одного из тел.
Характерно, что именно представления о постоянном действии
стали своеобразным психологическим барьером, мешавшим
открыть явление индукции. Например, А. Ампер, чтобы исключить
помехи, помещал магнит и катушку в одной комнате, а
гальванометр - в другой. Вставив магнит в катушку, он шел в
другую комнату наблюдать положение стрелки гальванометра,
соединенного проводами с катушкой, и, конечно, ничего не
обнаруживал, так как стрелка гальванометра отклонялась только в
момент перемещения магнита.
Установление решающих фактов принципиально изменяет
образ мышления физика и тем самым направляет движение
познания к созданию качественно новых физических теорий,
опирающихся на иную картину мира. Отражением динамичного
процесса в среде, передающего воздействие одного тела на другое,
стало у М. Фарадея понятие силовой линии. Означавшее
первоначально, скорее, условный вспомогательный образ, чем
физически реальную сущность, это понятие к 1852 г. наполнилось
в его работах принципиально важным физическим содержанием.
Хотя силовые линии непосредственно не наблюдаемы,
соответствующие материальные тела (маленький магнит для
силовых линий магнитного поля или маленькое электрически
заряженное тело для электрического поля)
могут играть роль
индикаторов, выявляющих в каждой точке пространства наличие
поля, представленного, по Фарадею, силовыми линиями.
Существенно, что сами силовые линии М. Фарадей трактует как
процессы, происходящие в промежуточной среде.
Введение теоретического образа силовых линий позволило
М. Фарадею перейти к объясняющим представлениям об
69
электромагнитной
индукции:
процесс пересечения
проводником
силовых линий он стал рассматривать
как
физическую
причину
возникновения индукционного тока.
Величину порожденного тока он ставил
в зависимость от
количества пересеченных в единицу времени силовых линий. При
этом, правда, возникал непростой в
методологическом и
теоретико-познавательном отношениях вопрос: как можно
сосчитать количество силовых
линий, если они невидимы? Не
случайно перед М. Фарадеем возникли трудности при попытке дать
количественное выражение для величины индукционного тока.
Ему не хватало для этого соответствующих теоретических понятий.
Весьма
драматичным
было
противоречие между М.
Фарадеем и сообществом
физиков-теоретиков его времени,
которых Дж. Максвелл за их формальный подход к физической
теории именовал математиками: «Фарадей видел силовые линии,
пронизывающие все пространство, там, где математики видели
центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду
там, где они не видели ничего, кроме расстояния;
Фарадей предполагал источник и причину явлений в реальных
действиях,
протекающих в среде, они же были удовлетворены
тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной
электрическим флюидам».1 Новое воззрение, которое вводил М.
Фарадей, победило в трудной, тяжелой и долгой борьбе идей,
борьбе, знаменовавшей собой кризис и революцию в физике.
Решающую роль в этой борьбе сыграли теоретические работы Дж.
Максвелла.
Уравнения электромагнитного поля Максвелла, по сути,
явились
математическим
обобщением
найденных
ранее
разрозненных эмпирических законов электрических и магнитных
взаимодействий. При этом важной физической парадигмой,
указавшей способ теоретического обобщения, была идея М.
Фарадея о силовых линиях. В самом деле, о том, что его теория
представляет собой математическое оформление идей Фарадея,
сам Максвелл писал не раз.
Но ведь идея силовых линий у
Фарадея непосредственно связана с анализом опытных фактов и
соединяющих их эмпирически установленных законов. Возникал
Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. О силовых линиях Фарадея. –
М., 1954. – С. 11.
1
70
вопрос: что является носителем магнитного поля? Сам Максвелл
считал, что эту функцию выполняет эфир.
«Не может быть
сомнений, - писал он, - что межпланетное и межзвездное
пространство не является пустым, а заполнено некоторой
материальной субстанцией или телом, несомненно, наиболее
крупным и, возможно, самым однородным из всех других тел».1
Эта загадочная субстанция - эфирное море - должна была
обладать парадоксальными свойствами: она должна быть почти
абсолютно твердой, т. к. скорость света очень велика, но
одновременно не должна оказывать никакого сопротивления
движению
небесных
тел.
Передавая
свет
и
другие
электромагнитные волны, она в то же время должна быть
абсолютно прозрачной. Все это изрядно запутывало физическую
картину мира. «Мы не знаем источник механических процессов, писал Гельмгольц, - в нашем распоряжении лишь символы, лишь
названия переменных, входящих в уравнения».2
Чтобы внести ясность в эти вопросы, надо было опытным
путем обнаружить существование эфира.
Отпали чисто механические представления о структуре
полевой среды в процессах в ней, но полностью утвердилось
главное и основное - необходимость и плодотворность создания
конструктивных
теоретических
моделей
процессов,
разыгрывающихся в промежуточной среде при электромагнитных
взаимодействиях и отражаемых математическими уравнениями
теории. И образы силовых линий, токов смещения, вихревых
магнитных и электрических возмущений поля, создававшиеся
Максвеллом на основе идейной программы Фарадея, вошли в
содержание принципиально новой парадигмы немеханической по
своей сути физической картины
мира
электромагнитных
процессов. С полным основанием А. Эйнштейн мог написать в
статье, посвященной столетию со дня рождения Максвелла (это
было и столетие открытия Фарадеем электромагнитной индукции!):
«...до Максвелла физическая реальность, поскольку она должна
представлять процессы в природе, мыслилась в виде материальных
точек, изменения которых состоят только в движении,
описываемом обыкновенными дифференциальными уравнениями.
1
2
Там же. - С. 114-142.
Философия науки / Под ред. С.А. Лебедева. – М., 2004. – С. 597.
71
После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде
непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей,
описываемых дифференциальными уравнениями
в частных
производных. Это изменение понятия
реальности
является
наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала
физика со времен Ньютона».1
Не сразу и не без трудностей утвердилось решающее
преимущество
теории
Максвелла
над
теоретическими
обобщениями, построенными на иной концептуальной основе, на
идее дальнодействия, без учета роли промежуточной среды (К.
Нейман, В. Вебер и др.). Но оно утвердилось, и притом с
подлинным триумфом. В отличие от весьма ограниченных и
противоречивых теоретических схем сторонников дальнодействия,
теоретическая система Максвелла обнаружила колоссальное
богатство внутреннего содержании, эвристически чрезвычайно
ценного.
Г. Герц, первоначально сдержанно относившийся к теории
Максвелла, получив на опыте электромагнитные волны, точно
соответствовавшие следствиям из уравнений электромагнитного
поля, писал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не
испытывая по временам такого чувства, будто математические
формулы живут собственной жизнью, обладают собственным
разумом - кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого
автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в
них заложено».2
В трудах М. Фарадея новая парадигма физической реальности
получила свое терминологическое обозначение как физическое
поле (1864 г.). Однако логико-теоретическое и концептуальное
завершение теория Максвелла нашла лишь в специальной теории
относительности.
Если в XVIII в. стремились всё свести к механике, то теперь
всё, включая и ряд механических явлений (например, трение,
упругость), стремились свести к электромагнетизму. Вне сферы
электромагнетизма остается только тяготение. В качестве
элементарных структур, из которых построена вся материя,
рассматриваются всего три частицы - электрон, протон и фотон.
1
2
Эйнштейн А. Собрание научных трудов: В. 4 т. – М.: Наука, 1965. Т. IV. – С. 600.
Карцев В.П. Приключения великих уравнений. – М., 1978. – С. 153.
72
Фотоны - кванты электромагнитного поля. При рассмотрении
электромагнитного поля наряду с волновыми представлениями
используются также и корпускулярные (фотонные) представления,
утвердившиеся в физике как корпускулярно-волновой дуализм.
Максвелл
воплотил
основной
принцип
научноматериалистического мировоззрения в конкретную физическую
идею о существовании нового вида материи - электромагнитных
волн, распространяющихся со скоростью света, которая в виде
универсальной константы входит в уравнение Максвелла. «Новые
теоретические идеи Максвелла, - заметили Эйнштейн и Инфельд, идут дальше этих экспериментальных фактов. Электрическое и
магнитное поля или, короче, электромагнитное поле является,
согласно теории Максвелла, чем-то реальным».1
Электромагнитная картина мира формировалась не только в
XIX в., но в течение еще трех десятилетий XX в. Она использовала
и учение об электромагнетизме и достижения атомистики, и
некоторые идеи современной физики. Исследуя проблемы
теплового излучения и фотоэффекта, Альберт Эйнштейн в самом
начале XX столетия пришел к выводу о квантовании энергии
светового излучения, а в 1916 г. он ввел в рассмотрение понятие
порции самого излучения (световые кванты, обладающие не только
определенной энергией, но и определенным импульсом). С 1926 г.
световые кванты получили называние фотонов. Таким образом,
стали известны два вида полей - электромагнитное и
гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных
взаимодействий.
Конечно, электромагнитная картина мира по сравнению с
механистической картиной мира представляла собой значительный
шаг вперед в познании окружающего мира. Электромагнитная
картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она
базировалась на идеях непрерывности материи, материального
электрического поля, неразрывности материи и движения, связи
пространства и времени как между собой, так и с движущейся
материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых
перед необходимостью пересмотра и переоценки этих
основополагающих качеств материи. После того как объектом
изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля,
1
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М., 2001. – С. 248.
73
картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это
была
картина
классической
физики.
Понятно,
что
электромагнитная картина мира в первом приближении есть
некоторая целостность и всеобщность, но жестко ограниченная
предметной областью физической науки и в этом смысле не
относящаяся к предметной области философии. Как отмечает В.Н.
Демин, «для создания целостного представления об электричестве
необходимо рассматривать все эти законы и разнообразные
электромагнитные свойства не изолированно, а как некоторое
целое, в точном сочетании с данным природным явлением и вместе
с тем во взаимоотношениях с другими явлениями и
закономерностями (конечно же, только из области электричества. –
Авт.). Аналогичным образом происходит выработка целостных
представлений и о любых других природных явлениях и объектах –
от элементарных частиц до космических систем».1
Многие детали электромагнитной картины мира сохранились в
современной физической картине мира: понятие физического поля,
электромагнитная природа сил, ядерная модель атома, дуализм
корпускулярных и волновых свойств и многое другое. В то же
время в электромагнитной картине мира, как и в механистической,
господствовали однозначные причинно-следственные связи, попрежнему все было жестко определено, для неё была характерна
метафизическая омертвелость, внутренние противоречия и
взаимосвязь отсутствовали.
Открытые Максвеллом и Больцманом вероятностные
закономерности не признавались фундаментальными и не
включались ни в механистическую, ни в электромагнитную
картину мира. Столь неоднозначными, жесткими представлялись и
максвелловские волны, управляющие электромагнитным полем.
Электромагнитная картина мира представляла дальнейший скачок
в познании мира. Многие её детали сохранились и в современной
естественно-научной картине мира: понятие физического поля,
электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления
в веществе (но не в самих атомах), ядерная модель атома, дуализм
(двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и
др. Но и в этой картине мира также господствуют однозначные
причинно-следственные связи, всё таким же образом жестко
1
Демин В.Н. Основной принцип материализма. – М.: Политиздат, 1983. – С. 238.
74
предопределено. Вероятностные физические закономерности не
признаются фундаментальными и поэтому не включаются и в нее.
Эти вероятности относили к коллективам молекул, а сами
молекулы все равно следовали однозначным ньютоновским
законам. Не менялись представления о месте и роли человека во
Вселенной.
Таким образом, и для электромагнитной картины мира также
характерна метафизичность мышления, где все четко разграничено,
внутренние противоречия отсутствуют. Электромагнитная картина
мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с
точки зрения прежнего механического представления о мире.
Однако дальнейшее её развитие показало, что оно имеет
относительный характер.
Девятнадцатый век подвел к пониманию диалектики природы,
но сам век еще оставался на позициях метафизического
материализма. Нужен был диалектический метод познания
природы. Поэтому на смену ей пришла новая - квантово-полевая –
картина мира, объединившая в себе дискретность механической
картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира. В
целом такое положение понятно и объяснимо, так как каждое
проникновение в сущность вещей и закономерности природы
углубляет наши представления об окружающем мире и требует
создания новых адекватных физических моделей картины мира.
75
2. КВАНТОВО-РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КАРТИНА МИРА
КАК ОСНОВА ФОРМИРОВАНИЯ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ
РАЦИОНАЛЬНОСТИ
2.1. Формирование логической структуры релятивистской
картины мира как важный этап становления
неклассической рациональности
Появление новой парадигмы в науке – длительный процесс.
Она связана с перестройкой оснований исследования, изменением
стратегии научного поиска. Но сам процесс её формирования и
утверждения всегда происходит в борьбе с прежними установками
и традиционным видением реальности. Кроме того, принятие новой
научной парадигмы вовсе не сводится только к объяснению новых
фактов и генерации конкретных моделей физической реальности.
Генерируемые в рамках новой парадигмы знания должны также
вписываться в культуру соответствующей исторической эпохи и
согласовываться с лежащими в её фундаменте ценностями и
мировоззренческими структурами.
В этом смысле появление релятивисткой парадигмы
действительно радикально изменили наши представления о
пространстве и времени, об их связи и зависимости от движущейся
материи. Но её появление надо рассматривать как процесс
разрешения многих накопившихся противоречий между новыми
фактами, требующими физического осмысления, и старыми
физическими теориями, в рамках которых они не получили
адекватного объяснения. Суть этих противоречий можно
классифицировать следующим образом:
1.
Неудовлетворительные
методологические
основания
классической физики, в особенности противоречия между
классической механикой и некоторыми требованиями теоретикопознавательного характера. Неудовлетворительность философских
основ классической физики.
76
2. Внутритеоретические противоречия классической механики.
Неудовлетворительность самих физических основ классической
механики.
3. Противоречия между классической механикой и
термодинамикой, теорией излучения, электродинамикой, волновой
оптикой.
4. Противоречия между результатами различных опытов.
Противоречия между различными частными физическими
теориями.
Неудовлетворительными с точки зрения самой физики были и
такие основные понятия, как «абсолютное движение», «абсолютное
пространство», «абсолютное время».
По мнению М.Э.
Омельяновского, «конфликт между классической механикой и
электродинамикой вылился в противоречие между принципом
относительности и утверждением, что свет в пустоте
распространяется с определённой скоростью, не зависящей от
состояния движения излучающего тела. Оба они убедительно
подтверждались экспериментами, но представлялись логически
несовместимыми».1 Кроме того, общее представление о
пространстве и времени, сложившееся в рамках механистической
картины мира, не позволяло соблюсти важнейший принцип физики
- принцип относительности.
Как выяснилось, уравнения Максвелла не были инвариантными
относительно преобразований Галилея, т. е. к электромагнитным
процессам галилеевский принцип относительности оказался
неприменим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно
выявить скорость равномерного прямолинейного движения объекта
относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих
теоретических следствий с экспериментальными данными
обескуражило физиков: в одних опытах (например, в явлении
аберрации, т. е. кажущемся смещении наблюдаемых в телескоп
звезд из-за движения Земли) эфир следовало считать абсолютно
неподвижным; в других (например, в опытах по измерению
скорости света в движущейся воде) - результат был таков, как если
бы эфир частично увлекался движением воды; в знаменитых
опытах Л. Майкельсона – Э. Морли по сравнению величин
скорости света вдоль движения Земли и в поперечном направлении
1
Омельяновский М.Э. Развитие оснований физики XX века и диалектика. - М., 1984. - С. 82.
77
ожидаемое различие вообще не обнаруживалось, а это можно было
объяснить тем, что при движении Земли эфир полностью
увлекается и имеет такую же скорость, как и Земля. Эти результаты
были настолько логически несовместимы, что возникла, казалось
бы, безвыходная ситуация.
Различный спектр мнений и предложений, возникших с связи с
вышеуказанной коллизией «неподчинения уравнений Максвелла
механическому принципу относительности», можно выразить
тремя основными точками зрения:
1. Согласно первой следует отказаться от уравнений Максвелла
или внести в них необходимые поправки, лишь бы сделать их
инвариантными относительно галилеевских преобразований.
Однако уравнения Максвелла демонстрировали высочайшую
степень совпадения теории с экспериментом, а все вносимые
поправки оказывались неподтверждаемыми.
2. Вторая точка зрения отстаивалась А. Пуанкаре и Г. Герцем,
считавшими принцип относительности обязательным для описания
не только механических явлений, но и электромагнитных. В 1890 г.
Герц принимает гипотезу, высказанную ранее Д. Стоксом, о
существовании эфира, полностью увлекающегося движущимися
телами. Исходя из этих принципов, он выводит уравнения,
инвариантные по отношению к галилеевым преобразованиям
координат и времени при переходе из одной инерциальной системы
отсчёта в другую. В частном случае покоящегося тела эти
уравнения переходят в уравнения Максвелла. Герц получил
«наиболее очевидное обобщение теории Максвелла на случай
движущихся тел, но оно оказалось несовместимым с результатом
эксперимента», ибо противоречило эксперименту Физо по
распределению света в движущейся жидкости.
3. Точка зрения, отстаиваемая Х. Лоренцем. Известно, что
Лоренц являлся сторонником атомной теории строения вещества, а
после открытия в 1897 г. У. Томсоном отрицательно заряженной
частицы – электрона – создал теорию, в которой уравнения
Максвелла включают в себя идею о дискретной структуре
электричества. При этом Лоренц использует гипотезу эфира,
рассматривая электромагнитное поле как свойство эфира,
противопоставляя его веществу, состоящему из электрически
заряженных частиц. Лоренцу удалось всю электродинамику
78
покоящихся и движущихся тел свести к уравнениям Максвелла,
дать
на
этой
основе
объяснение
большому
числу
экспериментальных фактов. Но при этом он вводит абсолютно
покоящуюся выделенную среди прочих систему отсчёта, связанную
с неподвижным эфиром, в которой только и выполняются
уравнения Максвелла.
Таким образом, точка зрения, отстаиваемая Лоренцом,
говорила о несостоятельности самого принципа относительности.
На место абсолютного пустого неподвижного ньютоновского
пространства он ставит абсолютное тело отсчёта – неподвижный
эфир, то есть вводит привилегированную систему отсчёта. Однако
все имеющиеся опытные данные, в том числе и опыт А.
Майкельсона,
свидетельствовали
в
пользу
принципа
относительности, свидетельствовали об эквивалентности всех
инерциальных систем отсчёта. Кроме этого, названный опыт
устанавливал факт постоянства скорости света в любой системе
отсчёта. А. Эйнштейн писал, что «специальная теория
относительности обязана своим происхождением этой трудности,
которая, ввиду её фундаментального характера, казалась
нетерпимой».1 Следует сказать, что Х. Лоренц и ряд других
физиков, среди которых Д. Лармор, Фицджеральд и др.,
предпринимали многочисленные попытки, пытаясь согласовать
отрицательный результат опыта Майкельсона с идеей абсолютной
системы отсчёта. Была выдвинута гипотеза о сокращении линейных
размеров тел в направлении их движения относительно эфира. При
этом Лоренц и Фицджеральд считали, что тела действительно
сокращают свои размеры в направлении движения. Это сокращение
должно было полностью компенсировать влияние относительного
движения на скорость распространения света, почему и казалось,
что скорость света остаётся постоянной во всех инерциальных
системах отсчёта. Несмотря на то, что высказанная гипотеза
выглядела очень искусственной и оказалась неверной, как это
выяснилось впоследствии, она привела к нахождению уравнений
преобразований кинематических параметров, отличных от
преобразований Галилея, которые называют преобразованиями
Лоренца.
Эйнштейн А. По поводу книги Эмиля Мейерсона «Релятивистская дедукция» // Сборник научных трудов:
В 4 т. – М.: Наука, 1965. Т. 4. – С. 98-102.
1
79
Возникновение
подобной
проблемной
ситуации
в
электродинамике движущихся сред означало, что представления о
логико-методологическом фундаменте теории Максвелла, о
содержании физической картины мира, адекватной этой теории, не
были полными и в должной мере самосогласованными. В этот
период новые в принципиальном отношении законы, выраженные
уравнениями Максвелла, ещё пытались соединить с некоторыми
фундаментальными представлениями, заимствуемыми из картины
мира Галилея – Ньютона.
Только Эйнштейну удалось довести до логического завершения
процесс создания собственного концептуального фундамента
теории Максвелла. Чтобы признать преобразования Лоренца
отражающими не кажущиеся эффекты и не случайно возникшие
соотношения, а фундаментальные законы природы, надо было
изменить
классические
представления
о
свойствах
пространственно-временных отношений. И здесь А. Эйнштейн внес
решающий вклад.
Следует отметить принципиальное отличие специальной
теории относительности от, например, полевой теории
электромагнетизма, хотя само появление теории Фарадея Максвелла было безусловно глубоким изменением в понимании
природы. Однако существует ряд существенных особенностей,
отличающих появление специальной теории относительности от
появления полевой теории. К ним, в частности, относятся
следующие:
1. Если теория электромагнетизма возникла в рамках
исключительно классических представлений о пространстве и
времени и
лапласовского понимания причинности,
то
формулировка специальной теории относительности связана с
кардинальным изменением в понимании этих категорий.
2. Если полевая теория Фарадея - Максвелла не связана с
предшествующими теориями (механикой Ньютона) соотношением
типа принципа соответствия (она как бы «параллельна механике
Ньютона), то специальная теория относительности попадает в
действие этого принципа, когда предшествующая теория
включается как частный момент отношения предельного перехода.
Таким образом, отмеченные особенности возникновения
специальной теории относительности позволяют утверждать, что
80
специальная теория относительности должна интерпретироваться
как неклассическая теория. Действительно, если классическая
физика до создания специальной теории относительности
акцентировала внимание исключительно на объекте познания,
элиминировав всё, что относится к субъекту, средствам и
операциям его действительности, то появление специальной теории
относительности продемонстрировало необходимость учёта связей
между знаниями об объекте и характером средств и операций
деятельности. Кроме того, в специальной теории относительности,
в отличие от предшествующих ей теорий, был выявлен новый
принцип независимости законов природы от состояния
равномерного и прямолинейного движения. «Симметрия теории в
ней задаётся группой Лоренца. Природа такой симметрии хотя и
идентична геометрическим симметриям, лежащим в основе
классических теорий, но отличается от них в одном важном
отношении: в неё одновременно входят пространство и время».1
Особенность ситуации состоит в том, что симметрия, основанная
на группе Лоренца, характеризуется вращением в едином
пространстве–времени,
и
это
означает,
что
часть
пространственного интервала проектируется на время и наоборот.
Теория относительности, по словам самого А. Эйнштейна,
начинается с двух положений:
1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах
координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно
друг друга.
2. Все законы природы одинаковы во всех системах координат,
движущихся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.
Принцип
постоянства
скорости
света
и
принцип
относительности – это два основополагающих принципа
специальной (частной) теории относительности А. Эйнштейна.
Фактически принцип постоянства скорости света является
следствием принципа относительности. Утверждение о постоянстве
скорости света в вакууме, т. е. независимости скорости света от
скорости источника наблюдателя, явилось естественным выводом
из многих экспериментальных фактов, выдержало многочисленные
экспериментальные проверки. Главным же его подтверждением
является согласие с экспериментом всех тех выводов, которые из
1
См: Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. - Махачкала, 2007. - С. 86.
81
него следуют. Эти подтверждения очень многочисленны, потому
что вся современная физика больших скоростей и высоких энергий
основывается на постулате постоянства скорости света.
Тем не менее, в своём абсолютном виде утверждение о
постоянстве скорости света является постулатом, т. е. допущением,
выходящим за пределы экспериментальной проверки. Это связано с
конечной точностью экспериментальных проверок, о чем было
сказано выше в связи с постулативным характером принципа
относительности.
А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что закон постоянства скорости
распространения света в пустоте (300 000 км/с) и принцип
относительности совместимы. Это положение составило основу
специальной теории относительности.
Из специальной теории относительности следует, что длина
тела и длительность происходящих в нём процессов являются не
абсолютными, а относительными величинами. При приближении к
скорости света все процессы в системе замедляются, продольные
(вдоль движения) размеры тела сокращаются и события,
одновременные
для
одного
наблюдателя,
оказываются
разноименными для другого, движущего относительно него.
Абсолютности
времени
больше
нет,
каждая
система
характеризуется своим собственным временем. Указывая момент
времени, надо указывать также на соответствующую систему
отсчёта. Всё это явно проявляется лишь при достаточно больших
относительных скоростях систем, если же v <<
c, то
преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, и
специальная теория относительности переходит в классическую
механику как в свой предельный случай.
В специальной теории относительности вводится понятие
физического события, замещающего образ материальной точки, в
качестве фундаментальной парадигмы новой физической картины
мира. «Желая описать движение какой-нибудь материальной точки,
- писал А. Эйнштейн, - мы задаём значения её координат как
функций времени. При этом следует иметь в виду, что подобное
математическое описание имеет физический смысл только тогда,
когда предварительно выяснено, что подразумевается здесь под
«временем». Мы должны обратить внимание на то, что все наши
82
суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда
являются суждениями об одновременных событиях».1
Оказывается, что самосогласованная теоретическая система,
основанная на теории Максвелла, дополненной специальной
теорией относительности, могла непротиворечиво сочетаться
только с элементарным понятием события, а не с понятиями
«материальная точка», «вещь», «находящиеся в пространстве и во
времени», характерными для физики Ньютона. Позднее (в 1921 г.) в
работе «Сущность теории относительности» Эйнштейн более
подробно объяснил это принципиальное различие двух картин
мира: «О точках пространства и моментах времени говорили так,
как будто они были абсолютной реальностью. Не замечалось, что
истинным элементом пространственно-временной локализации
является событие, определённое четырьмя числами - х, у, z, t.
Представление
о
чем-либо
происходящем
есть
всегда
представление о четырёхмерном континууме… Физической
реальностью обладает не точка пространства и не момент времени,
когда что-либо произошло, а только само событие… Законы
природы примут наиболее удовлетворительный, с точки зрения
логики, вид, будучи выражены как законы в четырёхмерном
пространственно-временном континууме».2
Принципиальная
необходимость перехода на язык физических событий в
релятивистской физике выражена здесь уже вполне отчётливо,
причём этот переход непосредственно связан с новыми
представлениями о пространстве и времени.
Таким образом, физическая картина мира Галилея – Ньютона, в
которой мир отображён как множество материальных точек,
движущихся в пространстве с течением времени, замещается в
специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира,
представленной
множеством
точечных
пространственновременных материальных событий.
Большой интерес в раскрытии сущности относительности
пространства представляет введенное Эйнштейном различие между
геометрической и кинематической формами тела. Геометрическая
форма тела – это его конфигурация, определяемая посредством
твёрдых стержней, покоящихся в системе отсчёта данного тела.
1
2
Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. Т. I. – С. 36.
Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. Т. II. – С. 25.
83
Кинематическая форма по Эйнштейну, определяется следующим
образом: «Пусть тело, состоящее из материальных точек Р, как-то
движется относительно системы отсчёта S. К моменту времени t в
системе S каждая материальная точка Р обладает в S определенным
положением, т. е. совпадает с определённой покоящейся
относительно Р точкой П. Совокупность положений точки П
относительно системы координат S мы назовём положением, а
совокупность взаимных связей между положениями точки П –
кинематической формой тела относительно S в момент времени t».1
Когда тело покоится, то обе его формы расщепляются. В своей
собственной системе отсчёта тело характеризуется конфигурацией
точек, составляющих его геометрическую форму, а в системах
отсчёта, относительно которых тело движется, оно имеет
кинематическую форму.
Развивая идеи, высказанные в 1905 г. Анри Пуанкаре, немецкий
математик и физик Герман Минковский (1864 - 1909гг.) дал в 1907
- 1908 гг. геометрическую интерпретацию кинематики специальной
теории относительности, введя четырёхмерное пространство,
объединяющее физическое трехмерное пространство и время
(пространство Минковского). Положение физического события
задаётся четырьмя координатами – тремя пространственными и
одной временной. События описываются как x2+ y2+ z2-c2t2=0. В
таком случае преобразования Лоренца могут формально
рассматриваться как чисто геометрическое преобразование
(поворот осей), выполняемое, однако, не в обычном трехмерном
пространстве,
а
в
четырёхмерном
континууме.
Образ
четырёхмерного
континуума
позволяет
рассматривать
пространство и время как общие формы координирования
материальных явлений, а не как самостоятельно существующие
независимо от материи начала. Геометрическая интерпретация
теории относительности позволила, во-первых, передать всем
релятивистским эффектам определённую наглядность и, во-вторых,
выявить глубокую диалектическую связь относительного и
абсолютного.
Из релятивистской парадигмы вытекало, что с увеличением
скорости тела кинетическая энергия как бы увеличивает его
сопротивление движению, а масса тела при этом возрастает. Кроме
1
Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. - Т. I. – С. 70.
84
того, из теории вытекало, что масса тела есть мера содержащейся в
нём энергии. Позднее был сформулирован следующий чрезвычайно
важный вывод специальной теории относительности: масса и
энергия эквивалентны друг другу. Это обстоятельство существенно
изменило не только наше понимание мира, оно изменило сами
картины мира - механистическую и электромагнитную. «Таким
образом, можно говорить о еще одной, второй онтологической
парадигме в основаниях физического знания, в которой первичным
существованием обладает не объект, а его свойства, проявляемые
через его связи, и сам объект является функциональной
совокупностью связей, которые выступают онтологически
первичной реальностью. Эту парадигму в основаниях физического
знания можно назвать «реляционной онтологической парадигмой».
Тогда субстанциональную онтологическую парадигму можно
рассматривать как частный, предельный случай реляционной
парадигмы. По мере развития физического знания в ХХ, а особенно
в XXI в., выхода физического знания за пределы макромира
значимость реляционной онтологической парадигмы оснований
физического знания возрастает всё более и более».1
Известно,
что
до
создания
специальной
теории
относительности законы сохранения энергии и массы также
рассматривались как два самостоятельных закона сохранения.
Теперь же оба этих закона слились в один. По выражению
Эйнштейна, масса должна рассматриваться как «сосредоточие
колоссального количества энергии».
Эти факты свидетельствуют о том, что специальная теория
относительности вышла за пределы тех проблем, из которых она
возникла. Она сняла многие трудности и противоречия
классической механики и теории поля, позволила построить новую
физическую картину мира. Но для решения вновь возникших
проблем понадобилось введение новых принципиальных идей и
представлений. Эти представления были систематизированы и
развиты в общей теории относительности. Её создание можно
рассматривать как дальнейший процесс становления новой
неклассической
формы
научной
рациональности.
Само
возникновение общей теории относительности опиралось: 1) на
Тарароев Я.В. О двух онтологических парадигмах в генезисе оснований физического знания // Вопросы
философии. 2008. № 12. – С. 114.
1
85
результаты обобщения принципа относительности (законы
природы должны быть инвариантными во всех системах отсчёта),
2) на постулат о равенстве тяжелой и инертной массы. Отсюда
были выведены уравнения, которые связывают между собой
геометрию пространства и состояние материальной среды. Эти
уравнения (Gik – Ѕ gik G = -х Тik) представляли собой систему
дифференциальных уравнений в частных производных. Левая часть
уравнений описывает гравитационное поле и одновременно
геометрическую структуру пространства–времени, которые в
рамках этой теории отождествляются. Правая часть уравнения
описывает распределение и плотность «материи». Основная идея,
выражаемая уравнениями, состоит в том, что «материя» определяет
гравитационное поле и, следовательно, геометрию пространства
времени, а последнее, в свою очередь, обуславливает характер
распределения и движения материи. Из этих уравнений следует,
что метрика пространства (соотношение отрезков и углов), то есть
геометрия и гравитационное поле, - это два эквивалентных способа
описания одной и той же реальности, каковой является
материальное «наполнение» мира. И гравитация, и геометрия
пространства есть проявление и следствие распределения
материальных объектов. Гравитационное поле в этом случае
рассматривается как отличие геометрии пространства от
евклидовой, а метрика - как проявление гравитационного поля. Это
означает, что геометрия определяется распределением тяготеющих
масс. Следует отметить, что согласно общей теории
относительности, материальные массы оказывают влияние на
геометрию пространства-времени, если они наличествуют в данном
пространстве, и общая теория относительности, по существу,
открыла вид материи, ответственный за геометрию пространства.
Им является гравитация. Кроме того, в рамках этой теории
выявлена связь математического риманова пространства с
гравитационным полем. Причём это было сделано в виде гипотезы,
согласно которой функции gik описывают в произвольно выбранной
системе
координат
метрические
соотношения
как
в
пространственно-временном континууме, так и в гравитационном
поле. Отсюда особая роль гравитационного поля для геометрии
пространства. Гравитационное поле здесь выступает не просто как
физический феномен, но и как проявление геометрических свойств
86
пространства-времени. «Действительно, первоначально возникшая
у Эйнштейна идея об общей теории относительности как теории,
обобщающей принцип относительности для произвольно
выбранной системы отсчета, в конечном счете, привела к
релятивистской теории тяготения. Общая теория относительности,
таким образом, являет собой яркий пример того, как абстрактный
исходный пункт может привести теорию, благодаря сложности и
противоречивости самого процесса ее развития, к конечным
результатам, первоначально даже трудно предполагаемым».1
Создание общей теории относительности устранило один из
основных доводов в пользу ньютоновской концепции пространства
и времени – наличие только одной евклидовой геометрии. Новые
геометрии отражали новые, неизвестные ранее свойства
пространства. Они исходят из материалистического принципа
зависимости геометрических свойств пространства от материи, от
происходящих материальных процессов. Эти идеи значительно
подорвали метафизическое представление об однородности и
абсолютности пространства. Вместе с тем эти новые идеи явились
сильнейшим ударом по априоризму Канта, который рассматривал
пространство и время как априорные формы человеческого
созерцания, предшествующие всякому опыту. Тем самым было
продемонстрировано, что пространственные формы присущи
самому объективному миру и что геометрические положения
отражают свойства реального пространства, имеют опытное
происхождение.
В соответствии с общей теорией относительности массы,
создающие поля тяготения, искривляют пространство и меняют
течение времени. Масса изменяет структуру самого пространства –
она как бы искривляет его, делая кратчайшим расстоянием не
прямую, а кривую линию. Здесь тяготение – не причина кривизны
пространства, это и есть сама кривизна. Чем сильнее поле, тем
медленнее течёт и время по сравнению с течением времени вне
поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в
пространстве, но и от их движения, от давления и натяжения,
имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других
физических
полей.
Изменения
гравитационного
поля
1
Князев В.Н. Концепция взаимодействия в современной физике. - М.: Прометей, 1991. - С. 56.
87
распределяются в вакууме со скоростью света. В теории
Эйнштейна материя, расположение и движение тяготеющих масс
влияют на свойства пространства и времени.
Общая теория относительности сводит гравитационное поле к
особенностям геометрии в том смысле, что гравитация вообще уже
не является реально существующим физическим полем. Такого
рода идею «геометризации физики» стремился довести до
логического конца Дж. Уиллер. Его программа состояла в том,
чтобы все физические взаимодействия и даже сами физические
объекты – поля и частицы – полностью свести к особенностям
геометрии и топологии пространства-времени.1
Она не могла быть реализованной по многим причинам, в том
числе по причине того, что здесь не учитывается должным образом
специфика отражения физической реальности, имеющая место уже
в рамках специальной теории относительности, а именно опосредованный характер отражения полей и частиц через образы
пространственно-временных
событий.
Общая
теория
относительности, как и её предшественница, оперирует
четырёхмерным пространственно-временным многообразием. Это
означает, что в общей теории относительности, как и в
специальной, физическая реальность представлена опосредованно,
через множество событий и отношений между событиями. В таком
случае нет оснований утверждать, будто в ней физические поля
теряют реальность и заменяются геометрией. Поля реально
существуют, в том числе и гравитационное поле, но и в теориях
реальность полей отражена через образы отношений между
физическими событиями. Об этом неоднократно высказывался А.
Эйнштейн: «Пустое пространство, т. е. пространство без поля, не
существует. Пространство-время существует не само по себе, но
только как структурное свойство поля».2 Способ отражения
физической реальности в общей теории относительности в
основном и главном совпадает с тем, который был разработан в
специальной теории относительности. Эти две фундаментальные
теории опираются на единую существующую основу. Хотя это
вовсе не означает, что с созданием общей теории относительности
См: Уиллер Дж. Гравитация, нейтрино и Вселенная. - М.: ИНОГИЗ, 1962. – С. 67; Его же. Предвидение
Эйнштейна. - М.: Мир, 1970. – С. 64.
2
Эйнштейн А. Сборник научных трудов. – М.: Наука, 1965. Т. II. – С. 758.
1
88
не возникло никаких концептуальных сдвигов в представлениях о
картине мира.
При переходе к космическим масштабам геометрия
пространства перестаёт быть евклидовой и изменяется от одной
области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях
и их движений. Вблизи массивных тел пространство задается
геометрией Римана.
А. Эйнштейн для создания общей теории относительности
применил интерпретацию геометрии посредством твердых тел.
Данная интерпретация, в частности, явилась основой для вывода о
том, что пространство неинерциальных систем и гравитационных
полей имеет неевклидову геометрию. Понятие твердого тела,
считал Эйнштейн, даёт возможность приписать объективную
геометрическую структуру физическому пространству. Такое
предпочтение твердому телу как дефиниции конгруэнтности имеет
смысл только в рамках оснований физики, при построении общей
теории относительности. Посредством конструкции твёрдого тела
Эйнштейну
удалось
перейти
от
специальной
теории
относительности к общей. Если при построении теории
относительности понятие твёрдого тела является эффективным
инструментом, то в случаях, связанных с её приложением,
практически более эффективным оказываются световые лучи.
Эйнштейн, однако, не использовал световые лучи в качестве
дефиниции конгруэнтности в силу того, что траектория светового
луча в гравитационном поле без заранее постулируемой теории
гравитации лишена геометрической определенности.
А. Эйнштейн
в процессе создания общей теории
относительности широко опирался на так называемый принцип
Маха, суть которого состоит в том, что происхождение сил
инерции объясняется
наличием масс удалённых звёзд.
Применительно к уравнениям общей теории относительности
принцип Маха означал: кривизна пространства-времени полностью
определяется суммарной массой Вселенной. Однозначность и
неразрывность связи принципа Маха и общей теории
относительности была подвергнута сомнению после результатов,
полученных де Ситтером, в которых пространственно-временная
структура была неевклидовой и в отсутствие материальных масс.
Отсюда вытекает, что обязательность наличия масс для объяснения
89
кривизны пространства является требованием не самой теории
относительности, а принципа Маха. Это означало независимость
принципа Маха от принципов, лежащих в основе общей теории
относительности. Вклад общей теории относительности в решение
проблемы связи материи с пространством-временем не
эквивалентен принципу Маха. Он состоит, в том, что общая теория
относительности показала, во-первых, что материальные тела,
находящиеся в данном пространстве, определяют геометрию
пространства-времени, во-вторых, что гравитация является видом
материи, ответственной за геометрию пространства. Более того,
гравитационное поле в общей теории относительности выступает
не просто как физический феномен, а как проявление
геометрических свойств пространства-времени.
Возможность анализа на основе уравнений общей теории
относительности пространственных и временных свойств всей
Вселенной со всей эффективностью была продемонстрирована А.А.
Фридманом, который получил целую серию нестационарных
решений как с геометрией Лобачевского, так и с геометрией
Римана. Эти решения положили начало развитию эволюционной
космологии и формированию новой картины мира.
Особенностями такой картины, в отличие от ньютоновской,
являются:
1. Тождество принципа относительности, суть которого
сводится к тому, что любой наблюдатель? находящийся в любой
точке
Вселенной
увидел
бы
одинаковую
картину
разворачивающихся событий, то есть удаляющиеся по всем
направлениям галактики, скорость которых подчинялась бы закону
Хаббла, по любому направлению он видел бы одинаковое
распределение галактик и в любой точке обнаружил бы одну и ту
же плотность.
2. На основе фридмановских моделей получили объяснение
такие ранее не разрешаемые проблемы, как фотометрический
парадокс Ольберса и гравитационный парадокс Зеелигера. В
релятивистских моделях они просто не возникают. И это
объясняется тем, что в связи с релятивистскими эффектами энергия
от все более удалённых галактик стремится к нулю, так что
суммарная энергия в любой точке пространства является вполне
конечной и определённой величиной.
90
3. Возможность решения проблемы «границы» Вселенной в
новой постановке проблемы бесконечности. Релятивистские
модели показали, что понятие границы Вселенной с неевклидовой
геометрией не имеет смысла. Впервые применительно к реальному
трехмерному пространству было показано, что понятия
«безграничность» и «бесконечность» не тождественны даже в
конечном объёме Вселенной с геометрией Римана.
С созданием общей теории относительности физика вышла на
новый качественный уровень описания, объяснения и предсказания
по сравнению с теорией Ньютона. Если ньютоновская теория
позволяла вычислить пути планет, наличие ещё не открытых
планет, то общая теория относительности позволила предсказать
существование принципиально новых объектов и явлений. Кроме
грандиозного явления расширения Вселенной в результате
«Большого Взрыва», радикально изменившего наши представления
о происхождении и устройстве Вселенной, на базе общей теории
относительности было предсказано существование таких
качественно новых объектов, как нейтронные звезды-пульсары и
черные дыры. «Имея нулевую кривизну, ее пространство является
галилеевым, т. е. здесь справедливо приближение специальной
теории относительности. Все это справедливо лишь для достаточно
больших фрагментов Вселенной, конечные же ее фрагменты,
включая и нашу Метагалактику, могут быть замкнутыми,
подчиняясь общей теории относительности (ОТО) для
искривленного пространства-времени»1.
Другой важный результат, полученный в общей теории
относительности, - это обоснование равенства тяжелой и инертной
масс тела, точнее теоретическое обоснование положения «тяжелая
и инертная массы тела равны». Это означало в первую очередь
понятийный выход за пределы тяготения Ньютона в построении
теории, которая была бы своего рода метатеорией по отношению к
теории Ньютона. В ней инертная и тяжелая массы тела, которые в
физике Ньютона считались абсолютно раздельными и
самостоятельными, рассматриваются как взаимоотносительные и
диалектически едиными.
1
Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Вопросы философии. 2004. №10. – С. 89.
91
Следует отметить, что в соответствии с принципом
эквивалентности Эйнштейна, предполагающим своего рода
тождественность тяготения и инерции, невозможно отличить
свободное движение в ускоренной системе отсчёта от движения тел
в поле тяготения. Все явления в системе отсчёта, жестко связанной
со свободно движущимся в поле тяготения телом, совершаются
таким образом, как будто бы поля тяготения не существует.
Необходимо, однако, подчеркнуть, что такого рода «устранение»
поля тяготения можно осуществить лишь в некоторой малой
области пространства. Эквивалентность тяготения и ускорения –
явление, скорее всего, локальное. Своеобразная особенность теории
относительности, в отличие от теорий классической физики,
состоит в том, что в ней объективно существуют субъективные
моменты. Их наличие более всего связано с неоднозначностью
путей перехода от опыта к теории.
Кроме того, создание любой теории – это всегда творческий
процесс, и он опирается не только на результаты наблюдений и
экспериментов, но и на гипотезы, допущения, конвенции,
эвристические принципы, объективная ценность которых может
быть в полной мере выявлена лишь в ходе дальнейшего развития
научного познания. Конвенции сыграли значительную роль и в
создании теории относительности. В частности, определение
содержания таких понятий, как длина, временной интервал,
одновременность возможно только через определённые конвенции.
«Целый ряд понятий не познаётся, - пишет академик Л.И.
Мандельштам, - а определяется для познания природы. Эйнштейн
показал, что именно этот момент был упущен из виду, и в этом его
главная заслуга».1
Суть конвенциональности физических определений сводится к
следующему. Связь определяемых понятий с физическими
процессами устанавливается путём соглашения считать данные
процессы реальным значениям определяемых понятий. Таким
образом, физические определения несут в себя некий момент
произвольности, хотя эта произвольность должна быть ограничена
до тех пор, пока мы ограничиваем себя задачей соотношения
термина с реальным предметом. Тогда никакое определение не
может быть лучше другого. Все определения как бы
1
Мандельштам Л.И. Лекции по оптике теории относительности и квантовой механике. - М., 1972. - С. 173.
92
«равноправны». Другое дело, когда мы выходим за рамки
поставленной задачи и пытаемся сформулировать содержание
теории. В этом случае может оказаться, что одни определения
плодотворнее других.
Примером
конвенционального
определения
является
определение одновременности, данное Эйнштейном. Суть
определения сводится к следующему. Два события А и В
одновременны в том случае, если часы в точке А показывают время
tА1 (время посылки сигнала из точки А и в точку В), а часы в точке
В показывают время t В = t1 А+ t2 А /2, где t2 А – время возвращения
сигнала в точку А, измеренное по часам А. Отсюда видно, что
определение одновременности реально связано с таким процессом,
как скорость распространения света в двух противоположных
направлениях. Опыт нам непосредственно не доказывает равенство
скоростей света в двух противоположных направлениях. Оно
(равенство)
вводится
постулативно
определением
одновременности. При этом его произвольность ограничена,
поскольку оно отвечает требованиям однозначности, обратимости и
транзитивности. «Важнейшим его достоинством является то, что
оно привело к созданию более глубокой, чем классическая физика,
теории относительности».1
Идея одновременности по-новому ставит вопрос о статусе
настоящего. Согласно теории относительности настоящее, которое
понимается как совокупность событий, неинвариантно. Это
означает, что наблюдатели, находящиеся в разных системах
отсчёта, зафиксируют в качестве настоящего разную совокупность
событий. Но в силу того, что все инерциальные системы
равноправны, ни одно из этих настоящих нельзя рассматривать как
истинно настоящее. Отсюда можно говорить о том, что сама
релятивизация настоящего есть в определенном смысле и
релятивизация бытия, хотя некоторые философы, в том числе и
Грюнбаум, отрицают связь понятия настоящего с категорией
бытия. По мнению Грюнбаума, для квалификации некоторого
фиксированного момента времени как настоящего требуется
концептуальное осознание субъектом событий как происходящих
теперь.2
Готт В.С., Гюхтин В.С., Гудинов Э.М. Философские проблемы современного естествознания. - М., 1974. С. 40.
2
См: Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. - М., 1969. - С. 396-397.
1
93
Следует подчеркнуть, что релятивизм не может быть
отождествлён с субъективизмом, с гносеологическим анархизмом,
отрицанием обязательности познавательных норм. Он не
исключает признания абсолютов. Как верно указывал ещё М.
Планк, «нет большего заблуждения, чем бессмысленное выражение
«все относительно… Без предпосылки существования абсолютных
величин вообще не может быть определено ни одно понятие, не
может быть построена ни одна теория».1 Перцептуальные и
концептуальные
абсолюты
входят
в
знание
через
эпистемологические универсалии – законы освоения предметности.
На эмпирическом уровне это происходит посредством
инструменталистских,
верификационных
методик.
На
теоретическом уровне - посредством структурных правил
преобразования, стандартизируемых генерацию внутренних единиц
теории:
инвариантность,
фундаментальные
константы,
ковариантность. Релятивизм тезису об изменчивости свойств
природы придаёт широкую общность: вариабельны не только
характеристики вещей (величины), но и формы, способы, условия
бытия вещности. Релятивизм внедрил и закрепил в науке идею
естественного предела значений как величин, так и способов их
фиксации. Как стиль мышления он детерминировал следующими
основаниями:
1) онтологическим, который связан с зависимостью
объективных характеристик предметности от фактических условий
протекания реальных процессов;
2) эпистемологическим, который связан с отрицанием
выделенных систем отсчёта, а также зависимостью аппарата науки
от конкретных систем отсчёта, включающих определённые
онтологические интервалы, сообщающие операционную и
семантическую значимость используемым абстракциям.
В качестве специфической черты неклассики релятивизм связан
с плюрализмом, свободой выбора и действия.2
Подводя итоги, необходимо отметить, что физическая картина
мира получила своё дальнейшее развитие благодаря теории
относительности А. Эйнштейна. Согласно теории относительности
Эйнштейна, время и пространство не существуют сами по себе, они
1
2
Планк М. Сборник к столетию со дня рождения. - М., 1958. - С. 59.
См.: Философия науки / Под ред. С.А. Лебедева. - М., 2004. - С. 113.
94
находятся в неразрывной связи с движущейся материей. Теория
относительности, которая включает в себя частную и общую
теорию относительности, вскрыла конкретные формы органичной
взаимосвязи пространства и времени, установила их зависимость от
распределения и движения материи, показав тем самым, что
пространство и время не существуют отдельно друг от друга и от
материи и что они не являются абсолютными в смысле
классической физики. «Таким образом, в теории относительности
появляется натуральная единица скорости – с. Все движения,
скорости которых значительно меньше с, следует рассматривать
как движения медленные, и при таких движениях приближенно
справедливы законы механики Ньютона, причём тем точнее, чем
меньше отношение v/c. Наоборот, движения со скоростями,
близкими к скорости света, следует считать довольно быстрыми,
при таких движениях относительность длин, промежутков времени,
масс выступает с полной отчётливостью».1
Обнаружением физической относительности не исчерпывается
содержание принципа относительности. Глубокий смысл теории
относительности заключается в том, что в ней абсолютность
законов природы и относительность ряда свойств материальных
объектов природы, и в первую очередь движения и геометрических
свойств пространства, диалектически сочетаются.
2.2. Квантовая картина мира: сущность и особенности
становления
Следующим этапом преодоления некритических догм классики
явилось создание квантовой механики. Такой поворот в пласте
духовности был подготовлен глубокими идейными процессами на
рубеже XIX – первой четверти ХХ в. Новые признаки
революционных изменений в физике были связаны в первую
очередь с парадоксами, обнаруженными как в сфере применения
молекулярно-кинетической парадигмы (программы Ньютона Максвелла- Больцмана), так и в сфере применения парадигмы
электромагнитного поля (программа Максвелла - Эйнштейна).
Кроме того, был сделан ряд новых принципиальных открытий
1
Методологические и философские проблемы физики. – М.: Наука, 1982. – С. 131.
95
(рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и др.), которые
вызвали переворот в научных взглядах физиков. Эти открытия явно
не укладывались в рамки классических представлений, и для их
объяснения потребовалось принципиальное изменение базисных
парадигм – фундаментальных представлений физической картины
мира. И первым шагом к такому изменению явилось введение
гипотезы конечного кванта действия (М. Планк), согласно которой
энергия электромагнитных волн принимает не любые непрерывные
значения, а дискретные порции энергии. Гипотеза квантов
принципиально изменила подход к изучению явлений природы.
Такой подход был сначала успешно применен Эйнштейном для
объяснения оптических явлений, в частности фотоэффекта. В
дальнейшем гипотеза квантов получила подтверждение во многих
экспериментах и стала доминирующей в изучении законов
микромира.
Важной вехой на пути построения квантовой механики явилась
атомная теория Н. Бора. Все эти открытия сформировали мнение,
что свойства микрочастиц невозможно объяснить и понять на
основании представлений классической физики. Стало совершено
очевидно, что многие понятия и принципы классической физики
адекватным образом не могут быть применимы для объяснения
новых явлений. Следующий шаг на пути к созданию квантовой
механики был сделан В. Паули, который сформулировал
фундаментальный закон природы, согласно которому в квантовой
системе две (или более) тождественные частицы с полуцелым
спином не могут одновременно находиться в одном и том же
энергетическом состоянии.
Дальнейший поиск новых понятий, принципов и законов,
адекватно объясняющих поведение микрочастиц, привел к
созданию двух вариантов квантовой механики: матричной (В.
Гейзенберг) и волновой (Э. Шрёдингер). Матричная механика и
волновая механика стали различными формами более общей
теории, получившей название квантовой механики.
К созданию матричной механики Вернер Гейзенберг пришёл в
результате исследований спектральных закономерностей, а также
теории дисперсии. В 1925 г. немецкие физики Макс Борн и
Паскуаль Иордан придали идеям Гейзенберга строгую
математическую форму. Они показали, что те величины, которые
96
Гейзенберг поставил в соответствие классическим величинам,
являются матрицами. В дальнейшем совместно с Гейзенбергом
Борн и Иордан развивают математический аппарат матричной
механики, применив его для решения ряда задач. Независимо от
них английский физик Дирак, познакомившись с теорией
Гейзенберга,
разработал
для
новой
теории
линейные
дифференциальные операторы.
Начало в формировании волновой формы квантовой механики
положил Луи де Бройль, который высказал идею о волновой
природе всех материальных микрочастиц. Эдвин Шрёдингер,
развивая идеи де Бройля, построил волновую механику. Он
получил волновое уравнение – основное динамическое уравнение
нерелятивистской квантовой механики (уравнение Шрёдингера) и
установил связь между квантовой и волновой механикой.
В физике микромира сложилась необычная ситуация. Две
разные теории - волновая механика Шрёдингера и матричная
механика Гейзенберга - при их применении для описания явлений
микромира приводили к идентичным результатам. Это означало,
что данные теории, по сути, представляют собой два аспекта одной
и той же квантовой механики.
Следует отметить, что в теории Шрёдингера рассматривается
уравнение для функции состояния (ψ-функции), которая задаётся в
3-мерном конфигурационном пространстве. Отсюда потеря
наглядности и усиление абстрактности математических построений
теории. Но развитие науки показало, что относительно
ненаглядные абстрактные математические построения с течением
времени получают физическую пространственно-временную
интерпретацию и становится элементами картины мира. В этом
смысле теория внешне как бы отдалялась (в силу абстрактности
своих математических построений) от действительности, а на
самом деле глубже проникала в отражение сущности физического
явления. Принципиальная новизна ситуации состояла в том, что
для описания явлений микромира необходимо было разработать
новый категориальный аппарат, новый язык научной теории. Для
исследования квантово-механического объекта принципиально
важно было не только сформировать идеи о нём, но и создать язык,
на котором их можно выразить. Обращая на это внимание, В.
Гейзенберг, в частности, отмечал: «…Теория, созданная и
97
оформившаяся в 1927 году в Копенгагене, представляет собой не
только однозначные правила объяснения экспериментов, но и язык,
на котором можно говорить о природе в атомном масштабе».1 ψфункция как некая математическая абстракция в теории
Шрёдингера выразила глубинную сущность квантомеханического
объекта. Первоначальные попытки придать волновой функции
определенный физический смысл были в основном направлены на
поиск некого природного аналога этого понятия (Э. Шрёдингер,
Луи де Бройль и др.). Но такие попытки ни к чему не привели. В
дальнейшем внимание было сосредоточено на выявлении её
гносеологического смысла, поскольку только таким путём можно
определить роль понятий в структуре научных теорий. Впервые
подобный анализ ψ-функции, приведенный М. Борном, привёл к
вероятностной её трактовке. Согласно М. Борну, ψ-функция
описывает вероятности нахождения микрочастиц в различных их
состояниях, как пространственно-временных, так и импульсноэнергетических. Дальнейший анализ гносеологического аспекта
смысла волновой функции (Н. Бор, В. Гейзенберг) выявил
глубокую связь понятия волновой функции с принципом
неопределенности,
корпускулярно-волновым
дуализмом
и
относительностью свойств микрочастиц к средствам. На основе
этих связей смысл волновой функции и её место в структуре
квантовой механики определяется на основе следующих
положений:
1. В квантовой механике объектами познания являются не сами
по себе микрочастицы, а система «микрочастица+прибор».
В зависимости от характера физических процессов в ходе
наблюдения у микрообъектов проявляются или корпускулярные,
или волновые свойства. Эта важная особенность поведения
микрообъектов заключается в том, что попытка наблюдения
микрообъектов сопровождается неконтролируемым изменением
характера их движения.
Проведенный анализ показал, что явление, понимаемое как
целостная система «микрообъект + прибор», представляет собой
элемент квантово-механической картины реальности, который по
своему содержанию двуплановый. Во-первых, сюда входят
Гейзенберг В. Развитие интерпретации в квантовой теории / Нильс Бор и развитие физики. - М., 1958. - С.
28.
1
98
характеристики самого объекта, которые образуют определенный
план картины объекта. Во-вторых, определенность некоторых из
этих характеристик сама в некоторой степени детерминирована
условиями их наблюдения и образует некоторую картину
наблюдения. Новизна ситуации состоит в том, что процесс
наблюдения накладывает определенные ограничения на процесс
познания из-за того, что сами характеристики наблюдения
формируют картину объекта. Таким образом, картины объектов в
квантово-механическом смысле существенно отличаются от
аналогичных объектов классической физики, где объект
рассматривается без учёта самого процесса наблюдения. Отсюда
следует, что свойства микрообъектов являются относительными к
нашим средствам наблюдения.
2. Появление корпускулярных или волновых свойств в
квантово-механической картине реальности можно рассматривать
как разные явления одного и того же объекта в приборах различных
типов. Поскольку один и тот же объект ведёт разнопланово в
зависимости от типа прибора, единство всего комплекса его
характеристик обеспечивается в любых приборных ситуациях
такими инвариантными свойствами, как заряд и масса. Кроме того,
таким свойством обладает и сама волновая функция ввиду её
математической представимости в двух дополнительных видах.
Отсюда волновая функция интерпретируется как отображение
потенциальных возможностей (В.А. Фок) микрообъекта к
проявлению корпускулярных или волновых свойств в
соответствующих макроуровнях. Такой тип единства квантовомеханической реальности называют математическим. По нашему
мнению, логически и философски согласованная система
представлений о содержании физической картины квантового мира
может быть получена лишь при условии признания того, что
квантовым объектам реально, независимо от их наблюдения
присущи два способа существования и два способа физического
изменения (способа взаимодействия). В первом способе
существования внешние физические воздействия или внутренние
процессы изменяют лишь потенциальные возможности, объективно
присущие квантовому объекту. При этом и сам квантовый объект
реально существует как бы в форме носителя потенциальных
возможностей. Такой способ существования и способ изменения
99
(взаимодействия)
непосредственно
не
наблюдаем,
не
регистрируется приборами, но познаваем. Именно он и отражен в
формальном аппарате квантовой механики в виде волновой
функции, изменяющейся по уравнению Шрёдингера. «Волновая
функция полностью характеризует состояние системы. Зная её,
можно вычислить вероятность обнаружения определённого
значения не только координаты, но и любой другой физической
величины, а также средние значения всех величин. Основное
уравнение нерелятивистской квантовой механики – уравнение
Шрёдингера – однозначно определяет эволюцию состояния во
времени. По значению волновой функции в начальный момент
времени определяется её значение в любой последующий момент
времени».1
При осуществлении квантовых переходов (в форме квантовых
событий)
квантовый
объект
проявляет
другой
способ
существования (и взаимодействия). Изменение объекта в этом
случае не описывается уравнением Шрёдингера, однако с помощью
волновой функции могут быть определены вероятности тех или
иных скачкообразных переходов – событий. Эти переходы и
регистрируются приборами и вообще независимо от наблюдений
познающего субъекта оставляют следы в виде изменений объектов
микро- или макромасштаба.
Два способа существования квантовых объектов внутренне
связаны
между
собой:
хотя
эволюция
возможностей,
представленная в формализме теории изменением волновой
функции по уравнению Шредингера, непосредственно наблюдаема,
она четко выявляется в статистике квантовых переходов, т. е. в
процессе реализации возможностей. Об этой эволюции можно
судить опосредствованным образом, тем не менее, есть все
основания говорить о ней как об объективно реальном физическом
процессе. К нему же относится и единая сущность корпускулярноволнового дуализма. Корпускулярная и волновая картины в этом
аспекте есть не что иное, как различные интерпретации самой
математической схемы. Такое осмысление корпускулярноволнового
дуализма
привело
Н.
Бора
к
принципу
дополнительности. Действительно, осуществление возможности
проявления корпускулярных свойств ликвидирует проявление
1
Философские проблемы естествознания. – М.: Высшая школа, 1985. - С. 241.
100
волновых свойств и наоборот. Тождество слияния волновых и
корпускулярных свойств микрообъектов в форме возможности и их
взаимоисключение в процессе перехода из формы возможности в
форму действительности получило своё объяснение в форме
принципа дополнительности.
Ни одна физическая теория, включая и общую теорию
относительности, не приводила к столь большим гносеологическим
трудностям, как квантовая механика. Это связано с тем, что
квантовая механика выявила ограниченность применимости
детерминизма классической механики к описанию поведения
микрообъектов, хотя и сохранила его для измеряющих устройств.
Отсюда следует, что квантовая механика для своего обоснования
нуждается в классической механике. И их соотношение
раскрывается в рамках именно принципа дополнительности,
который был сформулирован Н. Бором следующим образом: «Как
бы далеко ни выходили явления за рамки классического
физического объяснения, все опытные данные должны описываться
при помощи классических понятий».1 Квантовая механика, таким
образом, одновременно и отрицает механику классическую, и
предполагает
её
в
качестве
основы.
Принципиальная
невозможность построения квантовой механики без привлечения
механики классической в качестве основы квантово-механического
способа описания выражает суть «квантовой гносеологии» и
глубочайшие корни адекватности концепции дополнительности
квантово-механическому описанию реальности. Собственно
квантовое описание необходимо обосновывается описанием
классическим и само по себе лишено физического содержания, хотя
квантово-механическое описание несводимо к классическому
описанию.
Концепция дополнительности, таким образом, определяет
тенденцию к смене типа физического знания. Если идущий от
Коперника и Галилея классический тип знания характеризуется
представлением содержания знания в виде картины движения
вещей, тел, полей в отрыве от указания на средства и условия
познания и саму познавательную деятельность (гносеологические
моменты начисто исключаются из физической теории), то в
квантовой механике все элементы методологии дополнительности
1
Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. - М., 1961. - С. 9.
101
входят в саму квантовую механику, определяя её интерпретацию и
тем самым физическое содержание. Все эти элементы-принципы
сохраняют ярко выраженный гносеологический характер, т. е.
служат одновременно и принципами познания. «Гарантию дают
законы
квантовой
механики:
невозможно
подслушать
передаваемый код, не оставив следа, так как невозможно получить
информацию о квантовой системе, не изменив ее состояния»1.
Поэтому полная квантово-механическая картина реальности
является не только картиной объекта, но и
картиной познания
этого объекта. Другая черта гносеологической ситуации,
возникшей в квантовой механике и сделавшей необходимым
принцип
дополнительности,
связана
с
соотношением
неопределенностей
Гейзенберга.
Последнее
констатирует
ограничение
возможностей
одновременного
измерения
определенных пар величин, которые называются механически
сопряженным, как, например, координата частицы и её количество
движения (т. е. масса, умноженная на скорость). При этом
считается, что каждая из этих величин в отдельности может быть
измерена с любой степенью точности. Чем точнее измеряется одна
величина из пары, тем необходимо менее точной становится
другая, произведение обеих ошибок измерения не опускается
ниже определенной границы, которая с точностью до численного
множителя есть открытая Планком знаменитая квантовая
постоянная.
Гейзенберг
вывел
это
соотношение
не
непосредственно
из
математического аппарата квантовой
механики, а на основании рассуждений, относящихся к некоторым
мысленным экспериментам с одной микрочастицей.
В этих суждениях основную роль играет сопоставление
классических
корпускулярных и волновых
понятий
в
применении к отдельным атомным объектам. «Однако был ли
данный
«принцип неопределённости»
свойством
самой
реальности, или же он просто отражал ограниченность
человеческих
возможностей
наблюдать и
измерять
происходящее на
субатомном уровне? Этот вопрос привел к
жарким спорам о том, как следует интерпретировать саму
квантовую теорию, и размежевал позиции
Эйнштейна и
Менский М.Б. Квантовая механика, сознание и мост между двумя культурами // Вопросы философии.
2004. № 6. – С. 65.
1
102
датчанина Нильса Бора».1 Оставляя
на
потом подробный
разбор идеалистического толкования этого соотношения
Гейзенбергом
и
Бором,
отметим,
что
соотношения
неопределённостей можно написать не только для рх и х, а также
для энергии и времени, числа частиц и фаз волны в квантовых
волновых полях. Это обстоятельство не случайно. Оказывается, что
соотношение неопределённости может быть выведено из
математического аппарата квантовой механики и является, по
существу, логическим следствием новой теории. Соотношение
неопределенностей, выведённое Гейзенбергом на основании
мысленных экспериментов, относится к единичному эксперименту,
в то время как соотношение, выведённое из математического
аппарата квантовой механики, относится к совокупности
тождественных экспериментов. Причём последнее соотношение
выводится исходя из свойств волновой функции и в зависимости от
физического смысла последней получает свой физический смысл.
Можно показать, что соотношение неопределённостей является
отражением реально существующих волново-корпускулярных
свойств, присущих микрочастицам.
По поводу дополнительности координаты и импульса частицы
существуют разные мнения. Сам Н. Бор отождествлял дуализм и
дополнительность – дуализм волны и частицы был для него лишь
наглядным способом выражения дополнительности способов
описания. Макс Борн, упрекая Бора за неточность формулировок,
считал «абсолютно ошибочным» рассматривать понятия волны и
частицы как дополнительные, ибо они не находятся в отношении
взаимного исключения и дополнения, а необходимы оба для
полного описания квантово-механической ситуации. Аспект частиц
и волн можно назвать «дуалистическим аспектом» и говорить о
«дуалистичности описания», но здесь нет ничего дополнительного.
Дополнительными, то есть взаимно исключающими, одновременно
неприменимыми, но дополняющими друг друга, Борн считал
понятия координаты и импульса, а также относящиеся к ним
приборы. «Элементарная частица после измерения обладает
свойством локализации в этой области. Но такой результат
измерения не гарантирует, что частица обладала этим свойством и
перед измерением. Разумеется, этого не может быть в классической
1
Мел Томпсон. Философия науки. - М.: Фаир-Пресс, 2003. - С. 55.
103
физике, что и составляет специфическую черту измерений
квантовых систем. Это положение, по существу, является
следствием знаменитого принципа неопределенности».1
Сформулированный Гейзенбергом принцип, который назван
принципом неопределенности, выявил глубокую специфичность
квантового мира, в котором в принципе невозможно одновременно
с одинаковой точностью определить положение и импульс
микрообъекта. Такая неклассическая ситуация в поведении
объектов в микромире потребовала критического пересмотра
самого понятия «частицы», точно локализованной во времени и
пространстве. Можно говорить лишь о вероятности того, где в
данный момент времени находится частица, и это является
неизбежным следствием введения в физическую теорию
постоянной Планка, представлений о квантовых скачках. Пределы
неточности, устанавливаемые этим принципом, почти невозможно
преодолеть, поэтому этот принцип в квантовой физике имеет статус
фундаментального. Отсюда вытекает важный в философском
отношении вывод: имманентной характеристикой квантовой
картины мира является объективная неопределенность. Причём
неопределенность и вероятностный характер предсказания является
присущей чертой не только системы, но и её настоящих состояний.
Таким образом, в квантовой механике возникает всестороннее
основание для преодоления лапласовского детерминизма. Кроме
того,
квантовая механика показала необоснованность и
следующего
требования
лапласовского
детерминизма:
рассматривать любую неопределенность в параметрах явлений
микромира как результат неточности наших знаний и наших
измерений.
Многие физики, в том числе А. Эйнштейн, Л. де Бройль,
защищали точку зрения, согласно которой существующая
квантовая теория не даёт полного отражения объективной
реальности. Некоторые параметры, характеризующие состояние
квантового объекта, считали они, не получили отражения в теории
(такие параметры назвали «скрытыми»). «Наиболее известными
«неоклассическими» теориями явились теории со скрытыми
параметрами (переменными). В них постулируется, что волновая
Менский М.Б. Квантовая механика, сознание и мост между двумя культурами // Вопросы философии.
2006. № 4. - С. 67.
1
104
функция определяет состояние системы не полностью, наряду с ней
существуют некие скрытые параметры, точное знание которых
могло бы дать возможность
однозначного предсказания
результатов измерения соответствующих физических величин».1
Такой подход к интерпретации квантовой механики называют
неоклассическим. Сторонники этого подхода (Д. Бом и др.)
полагают, что классический принцип причинности можно
сохранить, если ввести в теорию некие скрытые неизвестные пока
параметры. Однако, хотя квантовая механика постоянно
развивалась и обогащалась новым содержанием, ввести в неё такие
«скрытые параметры», которые позволили бы отказаться от
рассмотренной
выше
особенности
квантово-механических
измерений, так
не удалось. Более того, было доказано и
теоретически, и экспериментально, что дополнить квантовую
теорию «скрытыми параметрами» указанного типа принципиально
невозможно. Вероятностный характер поведения квантовых
объектов оказался их фундаментальным свойством.
Наиболее распространенным является подход, предложенный
Нильсом Бором и Максом Борном и получивший название
копенгагенской интерпретации. Разъясняя смысл этого подхода,
Борн писал: «Природа не может быть описана с помощью частиц
или волн в отдельности, а только с помощью более сложной
математической теории. Этой теорией является квантовая
механика, которая заменяет собой обе эти модели и только с
определенными ограничениями представляет ту или иную из них».2
Концепция целостного описания системы «объект – условия его
познания» нашла своё отражение в принципе дополнительности Н.
Бора, согласно которому вся информация о микрообъектах может
быть получена только с помощью макроприборов, работающих в
определенных диапазонах, позволяющих довести эту информацию,
в конечном итоге, до органов чувств познающих субъектов.
Макроприборы подчиняются законом классической физики и
должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык
классической физики. Следовательно, любое явление в микромире
не может быть проанализировано как само по себе, отдельно
взятое, а обязательно должно включать в себя взаимодействие с
.Князев В.Н. Философия физики // Философия науки: методология и история конкретных наук. - М.: Канон,
2007. - С. 86.
2
Борн М. Физика в жизни моего поколения. – М.: ИЛ, 1963. - С. 266.
1
105
классическим
макроскопическим прибором. С помощью
конкретного макроскопического прибора мы можем исследовать
либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но
не те и другие одновременно. Обе стороны предмета должны
рассматриваться как дополнительные друг к другу.
В мире квантовых явлений мы имеем дело с закономерностями,
не поддающимися детерминистическому анализу. «Квантовая
теория, созданная в ответ на насущную потребность объяснения
новых неожиданных экспериментальных открытий, - вскоре
превратилась в почти необозримую terra incognita - бескрайний
простор для исследований».1
Существенно новой чертой
исследования этих явлений оказывается фундаментальное различие
между
макроскопическим
измерительным
прибором
и
микроскопическими изучаемыми объектами.
«В основе так называемой многомировой интерпретации
квантовой
механики
лежит
предположение,
что
все
микроскопические и макроскопические объекты (включая даже
людей с их сознанием) подчиняются законам квантовой механики и
описываются волновой функцией. При этом волновая функция
выступает как реальный объект, который эволюционирует во
времени в соответствии с уравнением Шрёдингера. Все физические
процессы (в том числе процессы измерения) описываются этим
уравнением».2 Работу приборов приходится описывать на языке
классической физики, где взаимодействием между прибором и
объектом можно пренебречь, но в квантовой физике оно составляет
неотъемлемую часть самого явления. Эта особенность приводит к
тому, что повторение одного и того же опыта даёт, вообще говоря,
разные результаты, которые, следовательно, могут выражаться в
форме
вероятностных
(статистических)
закономерностей.
Принципы неопределенности и дополнительности отражают
фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый
объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает
индивидуальными свойствами, а находится в классически
определенных внешних условиях. Таким образом, в квантовой
Илья Пригожин. Изабелла Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. - М.:
Прогресс, 1986. - С. 286.
2
Князев В.Н. Философия физики // Философия науки: методология и история конкретных наук. - М.:
Канон, 2007. - С. 86.
1
106
механике формулируется концепция целостности, отличная от
механической концепции целого и части, ибо объект вне целого и
внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается
лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь
по отношению к конкретной целостности, чем и определяется
статистическая природа его поведения. Интерпретация Бором
квантовой теории означает, по существу, отказ от классических
представлений
о
частицах
как
«внеположенных»,
«себетождественных», «индивидуальных».
С позиций принципа дополнительности Н. Бора прогресс
познания представляется как растущая и переплетенная сеть
дополнительных друг другу пониманий различных аспектов
природы, причём любые реальные теоретические перспективы в
принципе неотделимы от системы классических понятий. Поэтому
описание квантово-механического объекта должно одновременно
включать в себя возможные классические точки зрения на этот
объект. А эти точки зрения, согласно Н. Бору, фиксированы,
гносеологически выверены макроскопической природой нашего
существования.1 А дополнительность корпускулярной и волновой
картин описания микрообъекта позволяет охватить всё
многообразие поведения микрообъекта, создавая целостную
картину квантово-механической реальности.
В.А. Фок, анализируя ситуацию дополнительности, развил
концепцию относительности к средствам наблюдения, в чем
проявился общий гносеологический принцип относительности к
средствам абстрагирования. Принцип относительности к средствам
наблюдения в рамках квантовой механики рассматривается как
фундаментальный принцип относительности к классическим
системам
отсчёта,
который
«…содержит
в
«снятом»
преобразованном виде и суть принципов относительности к
средствам наблюдения В.А. Фока, дополнительности Н. Бора,
неопределенности В. Гейзенберга, вариационного квантовомеханического принципа суперпозиции, квантовомеханического
принципа квантования».2 Основой такого единства выступает
«скрытая» симметрия волны и частицы, которая позволила связать
в
единый
концептуальный
узел
основные
принципы,
См.: Бор Н. Избранные научные труды: В 2 т. - М.: Наука, 1970. Т. II. - С. 208-282.
Румлянский П.М. Методологические принципы физики в системе развивающегося знания. – Кишинёв:
Штиинца, 1986. - С. 119.
1
2
107
определяющие содержание квантово-механической теории и
квантово-механической реальности».1
Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонников,
названная копенгагенской интерпретацией квантовой механики,
конечно, не могла быть воспринята безоговорочно многими
физиками,
оставшимися
верными
идеалу
строго
детерминированного причинно-следственного описания движения
физических объектов. По целому ряду оснований такой подход
вызвал серьёзные критические возражения. Против самой идеи
существования в физике «неконтролируемых возмущений», как
известно, резко выступал в ряде своих работ по философским
проблемам квантовой физики В.А. Фок.2
А. Эйнштейн также не принял принципиально статистический
характер копенгагенской интерпретации квантовой теории.
Дискуссия между Бором и Эйнштейном длилась около десяти лет и
сыграла очень важную роль в формировании основ квантовой
теории. Именно этот спор привёл к более глубокому пониманию
концепции целостности. Своё содержательное развитие эта
концепция получила благодаря работе трёх авторов - А.
Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена «Можно ли считать
квантово-механическое
описание
физической
реальности
полным?», опубликованной в 1935 г. В этой работе формируется
парадокс, названый парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена
(ЭПР-парадокс). В ЭПР-парадоксе предложена следующая
ситуация. Пусть некоторая частица самопроизвольно распадается
на две частицы, которые расходятся на столь большое расстояние
друг от друга, что физическое взаимодействие между ними
исключается. Тогда если квантовая механика верна, то измерение,
произведенное над одной из частиц, должно приводить к
однозначному предсказанию соответствующей характеристики
(импульса, момента импульса, спина - в зависимости от типа
измерения над первой частицей) другой. Иными словами, без
эксперимента над второй частицей, без возмущения её, на
основании квантовой механики должно получаться определенное
числовое значение её характеристик независимо от акта
воздействия. В настоящее время ЭПР-парадокс надёжно
Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. - Махачкала, 2007. - С. 159.
См.: Фок В.А. О роли принципов относительности в теории тяготения Эйнштейна // Вопросы философии.
1961. № 12. – С. 52.
1
2
108
подкреплен экспериментами. Известно, что Бор дал немедленный
ответ на рассуждения авторов парадокса, утверждая, что
физическую реальность необходимо трактовать на основе идеи
неразделенности экспериментальной ситуации, неделимости и
целостности квантовых явлений.
Отвечая на статью Эйнштейна, Подольского и Розена, Н. Бор
писал: «Кажущееся противоречие на самом деле скрывает только
существенную непригодность обычной точки зрения натуральной
философии для описания физических явлений того типа, с которым
мы имеем дело в квантовой механике. В самом деле, конечность
взаимодействия между объектом и измерительным прибором,
обусловленная самим существованием кванта действия, влечёт за
собой – вследствие невозможности контролировать обратное
действие объекта на измерительный прибор… необходимость
окончательного отказа от классического идеала причинности и
радикальный пересмотр наших взглядов на проблему физической
реальности»1.
Рассмотрев подробнее возможности квантово-механических
измерений, обусловленные квантовостью взаимодействия, Н. Бор
заключил: «Ввиду такого положения вещей не может быть и речи о
каком-либо ином однозначном толковании символов квантовой
механики, кроме того, которое заключено в известных правилах,
относящихся к предсказанию результатов, получаемых при помощи
данной экспериментальной установки, описываемой чисто
классическим образом..»2. Итак, физический смысл волновой
функции, как и остальных теоретических символов, относится, по
Бору, только к предсказанию результатов измерений, но не к
реальности вне наблюдения или в промежутке между
наблюдениями. Само слово «явление», писал Н. Бор позже,
анализируя свои дискуссии с А. Эйнштейном, необходимо
употреблять «исключительно в связи с наблюдениями,
произведенными в точно определенных условиях, включающих
указания о всем опыте в целом»3.
Квантовая механика, вынужден был констатировать А.
Эйнштейн, имея в виду «копенгагенское истолкование», «не
пытается дать математическое представление того, что
Бор Н. Избранные научные труды. - М., 1971. – Т. II. – С. 181 – 182.
Там же. – С. 190.
3
Познер П.Р. Истины и парадоксы. – М., 1977. - С. 288.
1
2
109
действительно имеет место, или того, что происходит в
пространстве и во времени. В этом пункте современная квантовая
теория радикально отличается от всех предшествующих
физических теорий - как механических, так и полевых. «Квантовая
механика привела к существенному изменению физической
картины мира. Согласно принципу соответствия оказалось
возможным истолковать научный однозначный закон классической
механики как проявление движения множество частиц,
подчиняющихся вероятностным законам».1 Вместо того чтобы дать
модель для изображения реальных пространственно-временных
событий, она даёт распределения вероятности для возможных
измерений как функций времени. Объективно существующая
физическая реальность исчезала из поля зрения учёных. Этот
момент глубоко тревожил А. Эйнштейна, как и многих других
физиков. «Принципиально неудовлетворительным в этой теории, писал он, - на мой взгляд, является её отношение к тому, что я
считаю высшей целью всей физики: полному описанию реального
состояния
произвольной
системы
(существующего,
по
предположению,
независимо
от
акта
наблюдения
или
2
существования наблюдателя)» .
Характерно, что А. Эйнштейн хорошо понимал различие между
философским принципом признания объективной реальности,
который имеет программный характер для физики, и конкретными
способами представления объективной реальности в физическом
знании, т. е. конкретными образами той или иной физической
картины мира: «Существует нечто вроде «реального состояния»
физической системы, существующего объективно, независимо от
какого бы то ни было наблюдения или измерения, которое в
принципе можно описать с помощью имеющихся в физике средств.
Этот тезис о реальности сам по себе не имеет ясности ввиду своего
«метафизического» характера, он носит лишь программный
характер. Однако все люди, в том числе и теоретически
занимающиеся квантовой механикой, твёрдо придерживаются
этого положения о реальности до тех пор, пока не обсуждаются
основы квантовой механики.
1
2
Перминов В.Я. Проблема причинности в философии и естествознании. - М.: Изд. МГУ, 1979. - С.151.
Эйнштейн А. Сборник научных трудов. – М.: Наука, 1965. Т. IV. – С. 296.
110
Если же отбросить этот произвольный тезис о реальности,
рассматриваемый в чисто логическом плане, то будет весьма
трудно избежать солипсизма. В силу сказанного я отнюдь не
стыжусь сделать понятие «реального состояния физической
системы» центральным пунктом своих рассуждений»1.
ЭПР-парадокс открывает возможность для более полного
использования концепции целостности, не апеллирующий к
целостности экспериментальной ситуации. Здесь речь идёт уже не о
целостности экспериментальной ситуации, а о целостности
квантовой системы, об особом коррелятивном, взаимосвязанном
поведении квантовых объектов. Объекты, составляющие некогда
единое целое, разведенные друг от друга на расстояния,
исключающие взаимодействия, сохраняют на себе печать
прошлого, и любые изменения одного партнёра приводят к
коррелятивному поведению второго. Этот перенос состояния с
одной частицы на другую, независимо от того, как далеко друг от
друга они находятся, называют квантовой телепортацией. Мир
предстаёт перед нами как единая целостная единица, несводимая к
механическому разложению его на составляющие части. Этот
результат, имеющий не только глубокое мировоззренческое
значение, является едва ли не самой удивительной страницей в
истории физики и, как полагают исследователи, имеет далеко
идущие перспективы.
Для полноты представлений о становлении квантовой картины
мира и формировании общезначимого её понимания важно
учитывать разные подходы к её интерпретации. В этом плане кроме
копенгагенской интерпретации квантовой механики существуют и
другие подходы, которые ориентируются на принципиально другие
познавательные задачи. Если для А. Эйнштейна, как показано
выше, поиск направлялся задачей построения такой физической
картины мира, в которой могли бы быть согласованы
фундаментальные закономерности физических явлений разной
природы, то для Н. Бора, В. Гейзенберга, М. Борна поиск
интерпретации в основном был связан с задачами достижения
адекватного соответствия теоретического описания опытным
данным. В целом, если суммировать все многообразие попыток
1
Там же. – С. 624.
111
интерпретации квантовой механики, то оно может быть сведено к
следующим трём основным направлениям:
1. В основе лежит копенгагенская интерпретация, но
уточняются и развиваются её идеи. Известно, например, что
«копенгагенская школа» (Бор, Гейзенберг, Иордан, Франк и др.), да
и подавляющее большинство физиков и философов, относят
волновую функцию к отдельному микрообъекту. Но Бор, Дирак,
Гейзенберг и другие представители «копенгагенской школы»
истолковывают её чисто субъективистски, как «запись сведений
наблюдателя о микрообъекте». При такой трактовке объективное
состояние микрообъекта отождествляется со сведениями
наблюдателя о нем. Пытаясь как можно дальше уйти от такой
субъективистской, махистской точки зрения, сторонники
«концепции квантовых ансамблей», на наш взгляд, впали в другую
крайность. Преувеличивая статистический смысл волновой
функции, они относят её лишь к квантовому ансамблю частиц, т. е.
статистичность у них не связана с сущностью микрообъекта. В.А.
Фок и Д.А. Александров (сторонники «концепции реальности
квантовых состояний») показали, что вышеуказанная точка зрения
противоречива уже в определении квантового ансамбля, т. е. в
самой основе подобной теории.
В интерпретации квантовой механики В.А. Фок исходит из
того, что уравнения квантовой теории изображают не
непосредственную картину движения квантового объекта в
пространстве и времени, а эволюцию во времени объективно
присущих квантовым объектам потенциальных возможностей.
Именно поэтому в классической физике мы имеем дело с
континуумом, с точечным, дифференцируемым многообразием, на
основе которого построена классическая концепция причинности.
«В квантовой же физике определяющую роль играет квант
действия, который вскрывает элемент дискретности и приводит к
идее дополнительности. Это дало возможность В.А. Фоку развить
интересную концепцию относительности к средствам наблюдения,
в которой, по его мнению, обобщается известное понятие
относительности к системе отсчёта».1 Понятие квантовомеханического состояния, выражаемого обычно волновой
1
Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности пространства и времени. - М.: Наука, 1974. - С.
227.
112
функцией, характеризует «свойственные данной физической
системе при данных условиях потенциальные возможности».1
Чёткая формулировка этого фундаментального положения
состоит в том, что объективная реальность квантовых процессов
непосредственным образом представлена в основных понятиях и
уравнениях теории в форме эволюции потенциальных
возможностей квантового объекта.
2. Сторонники этого направления критикуют копенгагенскую
интерпретацию как противоречивую и выдвигают объективную
трактовку,
исключающую
относительность
к
средствам
наблюдения (М. Бунге).
3. В отличие от сторонников двух первых интерпретаций, его
сторонники обосновывают чисто информационное истолкование,
согласно которому квантовая теория есть частный случай
«абстрактной теории движения информации» (Ю.М. Ломсадзе)2.
Как основу такого подхода Ю.М. Ломсадзе рассматривает то
понимание постановки измерения и соответствующего аппарата
квантовой механики, которое было развито И. Фон Нейманом в его
фундаментальном труде «Математические основы квантовой
механики». Подвергнув тщательному анализу математический
аппарат, описывающий процесс измерения в квантовой механике,
он пришёл к заключению о наличии двух различающихся типов
воздействий на систему: первый тип связан с изменениями,
вызываемыми
измерениями; второй – с непрерывными
причинными изменениями системы с течением времени,
характеризуемыми уравнением Шрёдингера.
Рассматривая данное различие, сторонники информационного
подхода в интерпретации делят процесс измерения на два этапа:
физическое взаимодействие квантового объекта с прибором и
логический акт узнавания наблюдателем показаний прибора, не
подчиняющийся динамике квантовой теории3. Это утверждение,
сформулированное в виде теоремы, было доказано И. Фон
Нейманом, и оно говорит о принципиальной невозможности
осуществления «редукции» волнового пакета посредством какогоФок В.А. Квантовая физика и философские проблемы. - М., 1964. - С. 68.
См.: Ломсадзе Ю.М. Квантовая теория и современная естественнонаучная картина мира // Философские
науки. 1977. № 1.
3
См.: Ломсадзе Ю.М. Логика доказательного истолкования квантовой теории // Теория познания и
современная физика. - М., 1972. - С. 103.
1
2
113
либо физического (с точки зрения квантовой теории) процесса. В
этом случае природа изменения функции состояния квантового
объекта может быть интерпретирована как изменение информации
наблюдателя о характеристиках объекта. Отсюда и следующая
трактовка предмета квантовой теории: «Квантовая теория является,
по существу, частным случаем абстрактной теории движения
информации о микрообъектах или, как ещё можно сказать, наукой
об изменении знаний о микрообъектах»1. Это означает, что в
принципе не существует возможность однозначного предсказания
результата единичного измерения на основе начальной функции
состояния.
Таким образом, результат единичного измерения в квантовой
механике не имеет физического смысла. Физический смысл
результатов измерения может быть установлен только на основе
определённой физической интерпретации квантовой теории, строго
обусловливающей гносеологическую постановку задачи об
измерении. Реализация этого методологического принципа была
осуществлена в работах В.А. Фока.2 Но этот принцип нарушается в
том способе доказательства информационной интерпретации
функции состояния квантового объекта, который используют Ю.М.
Ломсадзе и его сотрудники, ибо сначала на основе придания
физического смысла результату единичного квантового измерения
формируется парадокс «редукции» волнового пакета, и лишь
затем, используя теорему, предлагается информационная
интерпретация, якобы разрешающая парадокс.3
Проводя итог, необходимо отметить о том, что многое в этой
необычной картине мира квантовых процессов нуждается в
дальнейшем развитии и уточнении. «По мере продвижения к
познанию фундаментальных свойств микромира человечество,
очевидно, будет сталкиваться с все возрастающей сложностью
форм движения, а отнюдь не с возрастающей элементарностью. Не
исключено, что сложность некоторых «элементарных систем»
микромира не уступает сложности биологических систем».4 Однако
уже сегодня есть основания сказать, что вырисовывающиеся её
Методологические проблемы теории измерений. – Киев, 1966. - С. 104.
См.: Фок В.А. Квантовая физика и философские проблемы. – М., 1970.
3
См.: Элентух И.П. Целостность методологического анализа фундаментальных проблем конкретных наук. –
Томск, 1989. - С. 140.
4
Волков Г.Н. Истоки и горизонты прогресса. Социологические проблемы развития науки и техники. - М.:
Политиздат, 1976. - С. 70.
1
2
114
контуры удовлетворяют системе важных мировоззренческих и
методологических требований, по поводу которых с такой силой и
остротой шли на протяжении десятилетий философские дискуссии.
2.3. Квантово-релятивистская физическая картина мира
как синтез
квантовой и релятивистской парадигм физики
Любая физическая картина мира представляет собой
определённую концептуальную схему, которая может создаваться
лишь в рамках определённого типа познавательных и
экспериментально-измерительных процедур. При этом физическая
картина мира чаще всего выступает неким основанием для развития
новых физических теорий, идей и принципов. Но само
формирование физической картины мира обычно опирается на
основные парадигмы, определяющие фундамент одной или
нескольких теорий. Под парадигмой в данном случае
подразумевается система понятий, категорий и принципов,
определяющих основу и характер теории.
После создания теории относительности и квантовой механики,
естественно, встал вопрос о путях дальнейшего развития физики
микромира. Поиски новых объединительных теорий стали одним
из главных методологических ориентиров развития физики этого
периода. Важным шагом на этом пути послужило полученное А.М.
Дираком релятивистское волновое уравнение для электрона.
Принципиальная новизна этого результата состояла в том, что в
природе должна существовать совершенно новая частица, которая
по своим характеристикам является антиподом электрона. Такая
частица, названная позитроном, открытая на кончике пера, вскоре
действительно была обнаружена.
Дальнейшие исследования в этом направлении были связаны с
попытками объединить специальную теорию относительности и
квантовую механику в рамках новой теории квантовой теории поля.
Следует отметить, что после построения общей теории
относительности А. Эйнштейн предпринял попытку создания
единой теории поля путём объединения общей теории
относительности и теории электромагнитных явлений. По аналогии
115
с тем, что гравитационное поле в общей теории относительности
идентифицировалось с кривизной четырёхмерного пространствавремени, А. Эйнштейн попытался и электромагнитное поле
трактовать через геометрические свойства пространства-времени.1
Но дальнейшее развитие квантовой теории показало, что основное
состояние всех квантовых полей - физический вакуум - образуют не
только виртуальные электроны и позитроны, но все и другие
известные частицы и античастицы, находящиеся в виртуальном
состоянии. Для того чтобы объединить такие представления с
представлениями о вакууме как о пустом четырёхмерном
пространстве-времени, А. Эйнштейн выдвинул программу единой
теории поля. Это программа Римана, Клиффорда и Эйнштейна,
согласно которой в физическом мире не происходит ничего, кроме
изменения кривизны пространства, подчиняющегося закону
непрерывности.
Такая теория, по мнению многих физиков,
занимающихся этими проблемами, могла быть применимой ко всем
известным физическим полям. Но их попытки её применения
натолкнулись на принципиальные трудности, связанные, прежде
всего, с устранением возникающих бесконечностей. И множество
вариантов нелинейных и нелокальных квантовых теорий поля
создавались именно для преодоления проблемы расходимостей.
Первой «полноценной» квантовой теорией поля является
квантовая электродинамика, которая, по словам Ф. Дайсона,
«сплетает специальную теорию относительности с квантовой
механикой в ткань высокой прочности и является в некотором
смысле самой совершенной и наиболее развитой частью физики». 2
Начало в создании этой теории было связано с попытками
построения квантовой электродинамики с применением принципов
квантовой механики к электродинамике Максвелла. Такой подход
означал следующее: правила квантования накладывались на
амплитуды электромагнитного поля, пространственно-временное
описание которых определялось уравнениями Максвелла. Но этот
подход натолкнулся на множество принципиальных трудностей. В
частности, квантование электромагнитного поля влекло за собой
хаотические изменения в значении любой компоненты поля.
См.: Эйнштейн А. Основные идеи и проблемы теории относительности // СНГ. - М.: Наука, 1986. - С. 120129.
2
Дайсон Ф. Томонага, Швингер и Фейман – лауреаты Нобелевской премии по физике // Успехи физических
наук. 1967. Т. 91. Вып. 1. - С. 71.
1
116
Принципиальным в преодолении указанных трудностей
явилось следующее предположение: физический смысл имеют
лишь средние значения компонент поля, взятые по конечным
пространственно-временным элементам. В этом случае при
измерении компонент поля оказалось возможным использовать не
точечные заряды, а конечные распределения заряда и тока, и был
найден некий аналог соотношения неопределенностей Гейзенберга
в применении к характеристикам поля, из которого следовало, что
неопределённость среднего значения поля можно произвольно
уменьшить путём увеличения плотности заряда «пробного тела».
Такое положение приводило к тому, что нельзя было устанавливать
никакой универсальный масштаб пространственно-временных
размеров. Это связанно с тем, что источники электромагнитного
поля рассматривались как классические распределения заряда и
тока, и квантование распространяли только сами величины поля. В
силу этого акты усреднения по конечным объёмам и интервалам
времени носили характер искусственных приёмов, обусловленных
спецификой измерительных процедур, а не содержанием самой
теории. Для физической концепции в таких случаях становится
важным чёткое разграничение формального (в данном случае
познавательного приёма) и физического «размазывания»
(«размытость» самого заряда). Последнее оказалось возможным
путём введения в структуру теории фундаментальной длины.
Следует также отметить, что в самой квантовой
электродинамике также есть понятия, заимствованные из
классической физики («точечность заряда», «локальность поля»,
«точечность взаимодействия»), которые приводят к бесконечным
значениям таких величин, как масса, собственная энергия
электрона, энергия нулевых колебаний поля и т. д.
Решить проблему расходимостей пытались путём введения в
теорию понятий о дискретном пространстве и времени.1, 2, 3 В
рамках такого подхода появился ряд теорий, среди которых следует
выделить: теорию пространственной решётки, теорию операторов
координат, теорию «конечного» пространства-времени, теорию
См.: Ambarzumian V., Jwanenko D. Zur Frage nach Vermeidung der unendlichen Selbstruckwirkung des
Electrons // Zeitschrift fыr Physik. 1930. Bd. 64. S. 563-567.
2
Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности пространства и времени. - М.: Наука, 1974. – С. 186-215.
3
Вяльцев А.Н. Дисконтное пространство и время. - М.: Наука, 1965. – С. 64-72.
1
117
«искривлённого» пространства – 4 импульсов и теорию
пространственно-временного кода. Однако на этом пути теория
столкнулась с ещё большими трудностями, она, в частности,
оказалась
несогласованной
со
специальной
теорией
относительности.
Для построения квантовой электродинамики оказались
недостаточными возможности квантовой механики, поскольку она
не
могла
описывать
аннигиляционные
процессы
взаимопревращения электромагнитного поля и электроннопозитронных пар. Для описания таких процессов был разработан
метод вторичного квантования, смысл которого сводится к
квантованию волновой функции электрона, которая в результате
превратилась в оператор рождения и уничтожения электронов и
позитронов.
Вторичное
квантование,
по
словам
М.Э.
Омельяновского, «позволило изобразить математически то
положение вещей в физике, когда непрерывное волновое поле
оказалось одновременно совокупностью дискретных частиц».1
Построенная подобным образом квантовая электродинамика
является, во-первых, локальной теорией, описывающей точечные
взаимодействия точечных частиц, в рамках континуального
пространства
и
времени,
во-вторых,
перенормируемой,
экспериментально подтверждаемой. Единственно слабой стороной
теории выступает то, что перенормировка носила явно
искусственный характер. Возникало недоумение, «почему
беспрецедентное «руками производимое» вмешательство в аппарат
теории продолжает работать, т.е. пока не приходит в противоречие
с экспериментом».2
Последующий этап развития физики связан с постоянно
развивающимися
теоретическими
методами
(развиваемый
последовательный синтез квантовой и релятивистской теории для
многочастичных
систем)
и
постоянно
улучшающими
экспериментальными возможностями. Наряду с программой
Римана – Клиффорда – Эйнштейна к этому времени появилась
программа Гейзенберга. В отличие от программы Римана –
Клиффорда – Эйнштейна программа Гейзенберга предполагала
построить все частицы материи из частиц со спином Ѕ. Но успехи
Омельяновский М.Э. Проблема элементарности частиц в квантовой физике // Философские проблемы
физики элементарных частиц. - М.: Наука, 1964. - С. 4.
2
Марков М.А. О природе материи. - М., 1976. - С. 120.
1
118
теории были связаны главным образом c построением
феноменологических теорий для объяснения свойств элементарных
частиц. Попытка же создания единой теории элементарных частиц
сталкивалась с рядом принципиальных проблем.
Во-первых,
это
проблема
обоснования
концепции
элементарности в рамках квантовой теории поля. Во-вторых, это
проблема поиска физического принципа, на базе которого можно
было бы построить единую теорию взаимодействия всех
элементарных частиц. Проблема элементарности и структурности в
релятивистской квантовой теории поля от классической теории и
даже
нерелятивистской
квантовой
механики
отличается
принципиальным образом. И это связано с тем, что частицы в
релятивистской квантовой теории поля находятся в постоянном
взаимодействии с вакуумными полями, испуская и поглощая
виртуальные частицы. Вокруг такой частицы образуется «облако»
виртуальных частиц, которое является результатом некоторого
усреднения по времени значительного числа процессов очень
короткой длительности, происходящих согласно статистическим
законом квантовой теории. Формируемые подобным путём
структуры частиц динамичны и представляют собой не результат
законченных процессов, а некоторый релятивистский инвариант
соответствующих процессов, то есть структура частицы задаётся
структурой самого процесса взаимодействия.
Отсюда
вытекает
вывод
принципиальной
важности.
Элементарность и структурность в релятивистской квантовой
теории поля как бы взаимосвязаны и не исключают друг друга. Это
означает, что представление целого как состоящего из меньших
частей, которое имело место в классической картине мира,
заменяется представлением о том, что элементарность и
структурность диалектики слиты в одном и том же объекте.1
Говоря об структурности и элементарности, необходимо
обратить внимание ещё на такой аспект проблемы. Известно, что
большинство частиц нестабильно. Они участвуют в различных
процессах
взаимопревращений.
Свойства
таких
частиц
оказываются результатом соответствующего взаимодействия. В
силу достаточной сложности этих процессов говорить о том, что
См.: Барашенцев В.С. Элементарность и проблема структуры микрообъектов // Современное
естествознание и материалистическая диалектика. - М., 1977. - С. 224.
1
119
такие
элементарные
частицы
являются
предельными
строительными элементами всех материальных объектов,
практически невозможно. В качестве таковых они должны были бы
быть неизменными и не содержать, в свою очередь, составных
частей. На самом же деле теория квантования полей, наряду с
экспериментами Хофитэдтера, продемонстрировала сложную
структуру различных элементарных частиц (пространственное
распределение заряда, массы, магнитного момента). В этом аспекте
наиболее перспективной оказалась модель структуры адронов,
согласно которой все адроны построены из трёх разных кварков. К
начальным успехам модели относятся предсказания Ω-частицы и её
свойств. Для релятивистского рассеяния лептонов на адронах
экспериментально также были получены структурные функции,
которые можно объяснить с помощью гипотезы о рассеянии на
точечных составных частях адрона (фейнановская партонная
модель). Главный недостаток этой модели состоит в том, что до сих
пор не удалось найти свободных кварков. Это привело к
формированию представления о них как о перманентно связанных
частицах. Отсюда новый вариант концепции атомизма, которая
допускает существование основных строительных элементов
материальных объектов, но отвергает их изоляцию.
Подобное обстоятельство указывает на некоторую тенденцию,
связанную с тем, что «понятия элементарности» при переходе с
одного структурного уровня материи на другой усложняется в
плане ограничения возможностей самой концепции. В этой связи
возникает вопрос, возможно ли, исходя из данных современной
физики высоких энергий, говорить о тех исходных кирпичиках, из
которых построены все материальные объекты. В силу того, что
уровень материальной структуры уже известных частиц содержит
большое число невыясненных вопросов, а более глубокий уровень
ещё экспериментально недоступен, то поставленный вопрос в
значительной степени носит спекулятивный характер. Вместе с тем
в последнее время появились некоторые теоретические основания,
которые позволяют говорить о возможности существования
предела деления материальных объектов. И подобные
теоретические
основания
связаны
главным
образом
с
современными представлениями о симметрии. Кроме того, следует
также подчеркнуть, что существуют и философские аргументы в
120
пользу объективного подобного предела, «причём этот предел не
должен зависеть от альтернативного решения «либо атомизм, либо
холизм» и не означает возврата в какой-либо форме к
непознаваемой «вещи в себе» Канта… Однако синтез столь
противоречивых концепций, как атомизм и холизм, вместе с тем
достаточно определён, чтобы указать прежде всего на
необходимость построения некоторой диалектической концепции
атомизма, имея в виду при этом возможность диалектического
«снятии» этой концепции».1
Действительно, с симметрией связаны многие выдающиеся
результаты физики элементарных частиц. К ним, в частности,
относятся: открытие законов сохранения изоспина, барионного и
лептонного
зарядов,
гиперзаряда,
классификация
сильнодействующих частиц на основе SU (2) х У и SИ (3)
симметрий, построение кварковых моделей, основанных на SИ (3)
симметрии.
Подчеркивая
фундаментальность
роли
симметрий
в
физическом познании, Румер Ю.Б. и Фет А.И., в частности, пишут
следующее: «Развитие физики в последние годы обратило, в
известном смысле, соотношение между уравнениями движения и
группами симметрий. Теперь группа симметрии физической
системы выступает на первый план; представления этой группы и
её подгрупп несут самую фундаментальную информацию о
системе. Таким образом, группа оказывается первичным, наиболее
глубоким элементом физического описания природы».2 В этом
плане принципиально плодотворной в квантовой теории поля
оказалась концепция локализации внутренних симметрий, которая
позволила ввести в теорию новый физический объект –
калибровочное поле, взаимодействие с которым обеспечивает
инвариантность теории относительности локальной группы
симметрии и концепции спонтанного нарушения симметрии. Эти
концепции позволили по-новому взглянуть на многие проблемы
физики элементарных частиц, в том числе на проблему создания
единых теорий фундаментальных физических взаимодействий.
1
Резеберг У. Философский атомизм и современная физика высоких энергий // Методологические и
философские проблемы физики. – Новосибирск: Наука, 1982. - С. 179-180.
2
Румер Ю.Б., Фет А.И. Теория унитарной симметрии. - М.: Наука, 1970. - С. 8.
121
Первоначально теории слабого и сильного взаимодействий
пытались построить по тем же принципам, что и квантовую
электродинамику. В рамках такого подхода оказалось, что теория
слабого взаимодействия неперенормируема. Дело в том, что в
рассеянии нейтрино на нейтроне происходит обмен парами
промежуточных векторных бозонов, который приводит к
бесконечности, некомпенсируемой в процессе перенормировки.
Значительные позитивные сдвиги в этом направлении были
связаны с построением единой теории электромагнитных и слабых
взаимодействий Вайнберга – Салама – Глэшоу.
Определяющим при нахождении лагранжиана электрослабого
взаимодействия явилось использование принципа локальной
калибровочной симметрии в сочетании с идеей спонтанного
нарушения этой симметрии. Оказалось, что требование
локальности калибровочных преобразований необходимо приводит
к установлению глубокой связи между динамическими
симметриями и пространством-временем, а инвариантность
относительно локального преобразования – к необходимости
введения компенсируемых векторных (бозонных) полей.
Особенность последних состоит в том, что они являются
переносчиками взаимодействия. «Глэшоу расширил группу
симметрии слабого взаимодействия. К слабому изоспину он
добавил степень свободы с симметрией И (1), отвечающую так
называемому слабому гиперзаряду. Возникающая модель имеет
симметрию SU (2) И (1). В модели Глэшоу, Салама и Уорда,
развитой далее Саламом и Вайнбергом, постулируется, что слабые
взаимодействия есть следствие взаимодействия фермионов с
переносящими
слабый
изоспин
и
слабый
гиперзаряд
+
0 1
калибровочными векторными бозонами W , W и Z ». Требования
локальности порождает четыре калибровочных поля, а требование
спонтанного нарушения симметрии SU (2) x U (1) до группы U(1)
приводит к тому, что три калибровочных бозона W+, W- и Z0
приобретают массу, а один, отвечающий группе И (1), остаётся
безмассовым. Мезоны являются переносчиками слабого, а фотон –
электромагнитного взаимодействия. Спонтанно нарушенная
симметрия SU (2) x U (1) единым образом фиксирует
взаимодействия этих мезонов с лептонами и кварками, позволяя
1
Клоуз Ф. Кварки и лептоны. - М.: Мир, 1982. - С. 314-315.
122
определить лагранжиан электрослабого взаимодействия. Подобный
подход привёл Вайнберга, Салама и Глэшоу к единой теории
электромагнитных и слабых взаимодействий.1 Перенормируемость
теории была установлена Т. Хоофтом, а экспериментальное
подтверждение получено открытием нейтральных токов и W+, W- и
Z0 мезонов. «В локальной калибровочной теории, - пишет Дж.
Тейлор, - форма контрчленов ограничена тем условием, что они
должны быть равны разности двух калибровочно-инвариантных
лагранжианов. Вследствие этого некоторые величины, кажущиеся
на первый взгляд расходящимися, на самом деле в ряде случаев
сходятся и могут быть вычислены».2
Хотя логика построения единой теории электрослабого
взаимодействия укладывается в известные рамки построения
физических теорий, она имеет определённые особенности,
связанные в первую очередь с выбором группы симметрии, которая
в данном случае выступает как исходная клеточка формирующейся
теоретической структуры. Причём выбор группы симметрии в
данном случае SU (2) x U (1) не детерминируется имеющимся
эмпирическим или теоретическим материалом. Но такая
постулированная абстрактная математическая симметрия не имеет
конкретного физического содержания и непосредственной
предметной области, хотя на её основе оказалось возможным
выразить физическую симметрию калибровочной изотопической
инвариантности. Следующий этап связан с поиском механизма
нарушения этой симметрии. Подобный механизм был разработан
Хиггсом. В рамках такого механизма ответственным за нарушение
исходной симметрии выступают так называемые хиггсовские
бозоны. В результате абстрактная математическая симметрия SU
(2) x U (1) обрела конкретный физический смысл.
Успехи,
связанные с построением единой теории
электрослабого взаимодействия, позволили сформулировать идею о
том, что все известные фундаментальные взаимодействия являются
компонентами единого универсального супервзаимодействия. На
основе этой идеи в современной квантовой теории поля удалось
См.: Вайнберг С. Идейные основы единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий // Успехи
физических наук. 1980. Вып 2. Т. 132 - С. 202-217; Глэшоу Ш. На пути к объединённой теории – нити в
гобелене // Там же. - С. 219-228; Салам А. Калибровочные объединения фундаментальных сил // Там же. С. 229-253.
2
Тейлор Дж. Калибровочные теории слабых взаимодействий. – М.: Мир, 1985. - С. 159.
1
123
сформулировать программу создания единой теории сильного и
электрослабого взаимодействий.
На возможность построения такой теории указывает то, что
эффективные константы этих взаимодействий сближаются,
становятся однопорядковыми по мере роста импульса, переданного
взаимодействующим частицам. Трудность в нахождении
лагранжиана состоит в том, чтобы определить группу спонтанно
нарушенной калибровочной симметрии, которая потенциально
содержит в себе группы симметрии, отвечающие за сильные,
слабые и электромагнитные взаимодействия. В рамках построения
такой теории среди исследователей начало складываться
понимание того, что пренебречь гравитацией на этом пути нельзя.
«Представляется интересным обратить внимание, - пишет С.
Вайнберг, - на следующее поразительное обстоятельство: хотя при
получении формулы…, которая даёт оценку энергетического
масштаба, характерного для теорий большого объединения, никак
не учитывалась гравитация, получился результат, который всего
лишь немногими порядками отличается от планковой массы,
равной 1019 Гэв. Этот факт подсказывает нам, что, быть может,
существует
определённая
связь
между
гравитационным
взаимодействием и спонтанным нарушением калибровочной
симметрии большого объединения. Очень возможно, что слишком
наивна сама идея такого объединения калибровочных теорий без
включения гравитации».1
Построить такую единую теорию пытаются на основе
суперсимметрии, которая должна связать между собой квантовые
поля, обладающие различной статистикой. Первые попытки были
связаны с расширенной супергравитацией, которая содержит в себе
спонтанно нарушенную локально-калибровочную симметрию2 и
вмещает в себя всю группу симметрии всех известных физических
взаимодействий. Все известные суперсимметричные модели чаще
всего используют три способа нарушения глобальной
суперсимметрии и локальный суперсимметрии.3 Важной
особенностью таких теорий является принципиальная возможность
1
Вайнберг С. За рубежом первых трёх минут // Успехи физических наук. 1984. Т. 134. Вып. 2. - С. 352.
См.: Окунь Л.Б. Современное состояние и перспективы физики высоких энергий // Успехи физических
наук. 1981. Т. 134. Вып. I. - С. 34.
3
См.: Высоцкий М.И. Суперсимметричные модели элементарных частиц – физика для ускорителей нового
поколения // Успехи физических наук. 1985. Т. 136. Вып. 4. - С. 594.
2
124
компенсации расходимостей не только в первом порядке, но и во
всех остальных.
Другие попытки в этом плане связаны с построением
суперсимметричной теории одномерных суперструн. Такая теория
строится в десятимерном пространстве-времени, в котором
пространственно-временные
измерения
скручены
-33
(компактифицированы) в области с размерами 10 см. «И только с
возникновением теории суперструн и инфляционной космологии
произошли существенные подвижки в решении этого вопроса за
счет квантовых флуктуаций вакуума в раздувающейся Вселенной,
которые и вызвали первичные гравитационные возмущения. В
целом же теория образования данной структуры достаточно сложна
(в первую очередь математически) и еще далека от своего
разрешения».1
Суперструны
органичено
вписываются
в
современную теорию элементарных частиц, основанную на
калибровочных теориях поля и суперсимметрии. Выяснилось, что
суперструнные теории переходят в квантовую теорию поля с
фиксированной группой.2 Такое положение снимает проблему
выбора группы симметрии для объединения известных физических
взаимодействий. Это одно из основных преимуществ теории
суперструн. Самое сложное в таком подходе – это то, что до сих
пор нет экспериментальных подтверждений существования
суперструн.
Теорию суперструн пытаются построить на основе таких групп
симметрии, как SO (32) E8 х Е8. Такая теория имеет важное
математическое преимущество по сравнению с теорией в
одиннадцатимерном пространстве. Оно состоит в том, что переход
к четырёхмерной Вселенной, обладающей «врождённым»
свойством киральности, возможен лишь в том случае, если
исходить из теории с чётным числом пространственных измерений.
Другая особенность теории, основанной на SO (32)-симметрии,
состоит в том, что такую теорию можно построить как чисто
гравитационную, из которой можно извлечь и все другие
фундаментальные физические силы. Что касается теории,
основанной на группе E8 х Е8 (модель замкнутых струн), то в ней
возникают два мира - по одному на каждую группу, в каждом из
Тарароев Я.В. Современная космология - взгляд извне // Вопросы философии. 2006. № 2. - С. 146.
См.: Нестеренко В.В. Релятивистские струны: от мыльных плёнок к объединению фундаментальных
взаимодействий // Природа. 1986. № 11. - С. 19.
1
2
125
которых существует свой собственный
идентичный набор
фундаментальных взаимодействий. При всей привлекательности
подхода, связанного с построением теории супеструн как
возможной единой теории элементарных частиц, до сих пор не
удалось
построить
полнокровную
экспериментально
подтверждаемую количественную теорию.
Следует отметить, что в основе современных теорий
фундаментальных физических взаимодействий лежат различные
группы симметрии. Долгое время разобщенными симметриями
теорий различных фундаментальных взаимодействий служили
глобальные симметрии, преобразования которых не зависят от их
положения в пространстве и времени. Если же говорить о
физической сущности глобальной симметрии, то в области
квантовой механики это означает одновременное мгновенное
изменение волновой функции во всех точках Вселенной. По
мнению Барашенкова В.С., «одновременное изменение фазы сразу
во всех точках пространства по своему характеру близко к
аказуальному принципу дальнодействия, так как любая попытка
физической проверки осуществимости такой операции потребовала
бы сверхсветовых скоростей сигналов».1
Это говорит о том, что глобальная симметрия может
рассматриваться исключительно как формальная операция. Она, по
утверждению М.Д. Ахундова, возрождает некий аналог
абсолютного пространства и времени Ньютона и противоречит
картине мира современной физики.2
Отсюда необходимость того, чтобы изменение фазы
происходило не мгновенно, а распространялось от точки к точке.
Такая калибровочная симметрия оказалась очень плодотворной,
связывая в единый концептуальный узел квантовые характеристики
физических величин (изотопический спин, странность и т. д.) с
пространством и временем. С помощью принципа локальнокалибровочной симметрии оказалось возможным вводить
взаимодействия чисто аксиоматически, определяя их форму в
соответствии со свойствами симметрии теории. Калибровочные
преобразования впервые были найдены при изучении свойств
уравнений квантовой механики и уравнений Максвелла. Их
Барашенков В.С. Законы симметрии в структуре физического знания / Физическая теория (философскометодологический анализ). - М., 1980. - С. 338.
2
См.: Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании. – М.: Мысль, 1982. - С. 225.
1
126
методологическая значимость проявилась при построении
квантовой электродинамики. Обобщение принципа локальнокалибровочной симметрии на группу SU (2) изотопических
преобразований продемонстрировало возможность его обобщения
на более сложные группы. Утияма, например, расширив понятие
калибровочной инвариантности и рассмотрев локальную версию
группы
Пуанкаре,
показал
калибровочный
характер
гравитационного взаимодействия.
Выяснилось, что в основе каждого взаимодействия лежит
некоторая симметрия, и принцип локально-калибровочной
инвариантности становится определяющим принципом построения
квантовой теории поля. Причём, будучи локализована, подобная
симметрия приводит к необходимости введения соответствующего
калибровочного поля, ответственного за данный механизм
взаимодействия.
В этом случае вопрос о природе взаимодействий заменяется
вопросом о природе симметрий, поэтому выяснение природы
симметрии (динамической), а именно такая симметрия лежит в
основе каждого фундаментального физического взаимодействия,
становится важной задачей всей физики высоких энергией. В плане
раскрытия природы этой симметрии был предложен ряд подходов,
в которых были предприняты попытки физической геометризации
свойств внутренней симметрии, хотя преобразования внутренней
симметрии, в принципе, не связаны с пространственно-временными
преобразованиями. Но Т. Райский впервые попытался пространство
изотопического спина представить как реальное пространство с
таким же статусом как обычное пространство и предположил
возможную реальную связь между изотопическим и реальным
пространством. Природа связи в этом случае определяется тем
обстоятельством, что физическая реальность существует в
шестимерном пространстве, а не в четырёхмерном пространствевремени. Оказалось, что такой подход не обеспечивает полной
геометризации внутренних симметрий. Поэтому был предложен
подход, в котором обобщению подвергается обычная группа
Пуанкаре в рамках одиннадцатимерного пространства-времени
Минковского. Такой подход оказался достаточно плодотворным в
том плане, что удалось объединить пространственно-временные
127
преобразования с преобразованиями внутренней симметрии.1 Дело
в том, что определённая последовательность операций внутренней
симметрии приводит к изменению пространственно-временного
состояния. Речь идет о том, что последовательное существование
двух операций изменения спина приводит к пространственному
смещению частиц.
Суть внутреннего пространства в этом случае состоит в том,
что число измерений одиннадцатимерного пространства-времени в
результате спонтанного нарушения симметрии уменьшается до
четырёх,
то
есть
семь
пространственных
измерений
«скручиваются» в результате размерной редукции. Эти
«скрученные» измерения и задают сущность внутренней
симметрии. В этом случае природа фундаментальных физических
взаимодействий сводится к искривлению пространственновременного континуума в этих семи «скрученных» измерениях
одиннадцатимерного пространства-времени. В этом подходе
получила развитие программа Эйнштейна, которая реализуется на
пути перехода от пространства-времени к суперпространству, в
каждой точке которого определены не только обычные (четыре)
координаты, но и дополнительный набор координат, заданных
антикоммутирующими переменными. Следует отметить, что
переход от четырёхмерного пространства-времени к расслоенному
пространству, в принципе, означает признание удивительной
возможности, состоящей в том, что физическое пространство,
определяемое взаимодействиями, может быть многомерным и даже
бесконечномерным.
Другой подход объяснения сущности внутренних симметрий
основан на теории суперструн, в которой получают объяснения
следующие
вопросы:
почему
существует
четыре
типа
взаимодействия? почему эти взаимодействия имеют столь
различные свойства? почему существует именно три семейства
элементарных частиц? По мнению её приверженцев, «она
представляет собой мощную парадигму понятий, которая впервые
даёт ответ на поставленные выше вопросы».2 В этих подходах
хотя и не получено полного понимания природы внутренних
1
См: Янг Г. Эйнштейн и физика второй половины ХХ века // Успехи физических наук. 1980. Т. 132. - С. 5462.
2
Грин Брайан. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытие размерности и поиски окончательной теории.
- М., 2004. - С.17-18.
128
симметрий, но достигается установление глубокой связи между
внутренними и пространственно-временными симметриями. В них
же получено понимание того, что группы внутренней симметрии в
своих
структурах
определенным
образом
связаны
с
1
топологическими свойствами пространства-времени.
Следует, однако, подчеркнуть, что в калибровочных формах
квантово-полевого подхода не удалось полностью устранить
фундаментальные противоречия между исходными принципами
специальной теории относительности и нерелятивистской
квантовой механикой. Калибровочный метод хотя и оказался
высоко эмпиричным из-за его способности согласовать
теоретические предсказания с результатами экспериментов, а также
существенно
упростил
логическую
основу
теории
взаимодействующих полей, однако эта простота базируется на
довольно сложных физических понятиях. Речь в данном случае
идёт, во-первых, об общей мотивировке локально-калибровочных
преобразований, апеллирующих к ненаблюдаемости фазы
комплексного квантового поля, во-вторых, о ненаблюдаемости
цветовой степени свободы, лежащей в основе калибровочной
симметрии в квантовой хромодинамике, а также ненаблюдаемости
квантов её (квантовой хромодинамики) исходных полей: кварков и
глюонов и, наконец, о существенном усложнении используемого в
этих теориях математического аппарата (теории групп Ли и метода
фундаментального анализа). В калибровочной форме квантовополевого подхода достигнут только формальный синтез принципов
специальной теории относительности и нерелятивистской
квантовой механики, что служит наглядной причиной сохранения
искусственной
процедуры
перенормировки,
неясности
конфаймента и механизма Хиггса.
Характер указанных трудностей наводит на мысль о том, что
используемый в этих теориях понятийный аппарат неадекватно
отражает всю специфику микромира. Известно, что калибровочная
концепция основывается на представлениях о макроскопичности
пространства и времени. Напрашивается вопрос: изменяются ли
свойства пространства и времени при переходе от макромира к
микромиру? Можно привести ряд аргументов в пользу идеи о том,
См: Казаков Л.И. Суперструны, или За пределами стандартных представлений // Успехи физических наук.
1986. Т. 15. Вып. 4. - С. 562.
1
129
что при переходе от макромира к микромиру изменяются
топологические свойства пространства и времени. В пользу этого
говорит и тот факт, что при переходе от макромира к мегамиру,
согласно
общей
теории
относительности,
происходят
существенные изменения свойств пространства и времени. Если
увеличение масштаба приводит к изменениям свойств пространства
и времени, то и уменьшение масштабов по логики вещей также
должно
сопровождаться
характерными
изменениями
пространственно-временных свойств.
Одной из таких радикальных идей, связанных с модификацией
пространственно-временных представлений в микромире, является,
как отмечали и раньше, идея, которая приводит к содержательно
новому понятию микроскопической пространственно-временной
симметрии.1 В основе такой симметрии должна лежать
квантованная группа Пуанкаре, которая выступает как
математическое выражение нового физического принципа.
Квантованная группа Пуанкаре принципиально отличается от
обычной группы Пуанкаре тем, что, во-первых, она дискретна и
состоит из конечного множества элементов, во-вторых, в ней
отсутствуют различия между дискретными и непрерывными
преобразованиями. Переход от обычной группы к квантовой группе
Пуанкаре, по мнению Бранского В.П., позволяет ввести понятие
внутреннего пространства в форме мультиплетного «пространства»
аналогично спинову пространству в теории Е. Вингера. В рамках
таких обобщений микроскопическая пространственно-временная
симметрия становится физической основой внутренних симметрий.
И тогда внутренняя симметрия есть всего лишь макропроявление
микроскопической пространственно-временной симметрии, её
предельным значением при переходе от дискретного к
непрерывному пространству-времени. Если неприводимому
представлению обычной группы Пуанкаре как бы соответствует
отдельная частица, то такому же представлению квантованной
группы Пуанкаре соответствует суперпозиция таких частиц. Это
обстоятельство и объясняет само существование внутренней
симметрии и определяет характер её связи с обычной
пространственно-временной симметрией.
См.: Бранский В.П. Теория элементарных частиц как объект методологического исследования. - Л.: Изд.
Ленинградского университета, 1989. – С. 257.
1
130
Такой подход безусловно нуждается в глубоком теоретическом,
философском и методологическом анализе. Но уже сейчас можно
сказать о том, что на этом пути возможно получение важных
результатов по созданию истинно единой теории элементарных
частиц – квантовой теории относительности. Такая уверенность
продиктована тем, что этот подход на новом уровне синтезирует
квантово-полевой
подход
в
калибровочной
форме
и
геометрический подход, основанный на квантовании «плоского»
пространства-времени Минковского. Само же квантование
«плоского» пространства-времени не может быть каким угодно,
оно должно проводится с учётом калибровочного подхода.
«Поэтому калибровочный подход даёт определённое направление в
квантовании
специальной
теории
относительности.
Это
направление должно быть таким, чтобы калибровочный подход
явился бы следствием «макроскопизации» определённым образом
квантованной специальной теории относительности».1
В последнее время группой физиков предпринимаются
попытки построения так называемой торсионной физики, которая
рассматривается как наука о торсионных полях, обусловленных
кручением пространства. Задача кручения пространства на уровне
уравнений общей теории относительности впервые была
поставлена Э. Картаном. Из его теории следовало, что константа
торсионного взаимодействия должна быть пренебрежимо малой.
Однако в теории Картана была допущена неточность, связанная с
отсутствием угловой системы координат. Впоследствии Шипов
Г.И., используя угловую систему координат и коэффициенты
кручения Т. Риччи, построил теорию физического вакуума.2
Альтернативную теоретическую модель торсионного поля
предложил и А.Е. Акимов, который использовал решение
релятивистского квантового уравнения, полученное П. Дираком.
Квантовый вакуум, по его мнению, содержит волновые свёртки
электронов и позитронов, обладающие нулевыми значениями
массы, заряда и спина. Возмущение вакуума по спину, вызванное
внешним источником, и приводит к возникновению нового вида
фундаментальных взаимодействий – торсионных полей. Кручение
физического пространства, по мнению многих исследователей,
1
2
См.: Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. - Махачкала, 2007. - С. 99.
См.: Шипов Г.И. Теория физического вакуума. - М., 1997. – С. 238.
131
столь же фундаментальное свойство нашего мира, как и его
искривление,
предсказываемое
теорией
относительности.
Специфика торсионных полей состоит в том, что в силу их
информационного характера связанная с ними поляризация
вакуума по спину не приводит к изменению его энергетических
характеристик. Это означает, что действующий локально источник
торсионного поля вызывает нелокальное возмущение вакуума,
которое можно интерпретировать как квантовую информационную
телепортацию. Такое удивительное физическое свойство
торсионного поля позволяет рассматривать его как универсальную
информационную сеть, охватывающую всю Вселенную и
обеспечивающую коммуникационное взаимодействие между всеми
материальными объектами независимо от их физической природы
и масштаба. Кроме того, в силу определённых свойств торсионные
поля могут обеспечивать передачу информации не только на
большие расстояния, но и между объектами, разделенными
значительными промежутками времени. Этим объясняется другое
фундаментальное свойство торсионных полей. Речь идет о том, что
«эффект торсионного фантома придаёт вакууму свойство
квазистационарного банка семантической информации». 1 В этой
связи представляет интерес гипотеза Налимова В.В., который
считает, что существует семантическое пространство независимо
от мира материи. Все свойства в этом пространстве изначально
имеют одинаковый статистический вес, иными словами, их
множество представляет собой семантический вакуум. Физическим
референтом семанистического пространства является квантовый
вакуум, а в качестве переносчика информации выступает
торсионное поле.
Несмотря на определённый скептицизм в научных кругах в
отношении плодотворности такого подхода, известный специалист
по нелинейной науке Э. Ласло даёт торсионной физике и гипотезе
семантики квантового вакуума положительную оценку, считая, что
Вселенная, описываемая теорией с передачей сигнала по вакууму,
значительно более взаимосвязана, чем мир теории относительности
Эйнштейна. Открытие этого поля, по мнению Э. Ласло, означает
фундаментальный сдвиг в картине мира.2
1
2
Философия науки / Под ред. С.А. Лебедева. - М., 2004. - С. 632.
См.: Haszlo Y. The Whispering Pound A Personal Guide to the emerging Vision of Science. Rockport Мa, 1996.
132
3. НЕЛИНЕЙНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА:
ГЕНЕЗИС И ИДЕЙНЫЕ ОСНОВЫ
3.1. Парадигма самоорганизации и новые стратегии
научного поиска
Современный этап развития науки и технологической
деятельности выдвинул в качестве объектов изучения сложные
саморазвивающиеся системы, в которые в качестве особого
компонента включен сам человек. Эти системы в корне отличаются
не только от малых (простых) систем, но и от больших (сложных)
саморегулирующися систем. Известно, что для описания простых
систем достаточно, чтобы суммарные свойства их частей
исчерпывающе определяли свойства целого. Кроме того, часть
внутри целого и вне целого обладает одними и теми же свойствами,
и связи между элементами подчиняются классической
причинности. Пространство и время здесь предстают как нечто
внешнее по отношению к таким системам, а состояния их движения
никак не влияют на характеристики пространства и времени.
Отмеченные категориальные мысли составляли своеобразную
матрицу описания механических систем. «Категориальная сетка
описания малых систем, - по мнению B.C. Степина, - была
санкционирована
философией
механицизма
в
качестве
философских оснований науки этой эпохи».1 Следует также
отметить, что простые механические системы - это не только
машины и механизмы, часы, но и биологические и даже
социальные объекты. В этом плане показательны попытки О. Конта
построить теорию общества как социальный механизм.
Переход от простых систем к изучению больших систем на
базе классических представлений потребовал значительной
перестройки всего категориального аппарата. Перестройка вызвана,
прежде всего, тем, что большие системы в отличие от простых
приобретают целый ряд новых характеристических признаков. Речь
в первую очередь идет о целостности сложных систем, которая
Степин В.С. Саморазвивающиеся системы и постнеклассическая рациональность // Вопросы философии.
2003. № 8. – С. 5.
1
133
предполагает наличие особого блока управления, а также прямые и
обратные связи между ними и подсистемами системы. Большие
системы по своей природы гомеостатичны. В них обязательно
имеется программа функционирования, которая определяет
управляющие команды и корректирует поведение системы на
основе обратных связей.
Категориальная сетка описания сложных саморегулирующихся
систем обретает новое содержание. Здесь целое не исчерпывается
свойствами частей, поскольку возникает новое системное качество
целого, а причинность не может быть сведена исключительно к
лапласовской. Более того, новые разделы физики используют
существенные понятийные куски старых разделов. Кроме того,
конкуренция и последующее вытеснение типичны лишь для
«незрелой» (допарадигмальной) стадии развития раздела физики, т.
е. до сложившегося ядра раздела физики. В физике
принципиальные нововведения упаковываются в новый раздел,
который пристраивается к старым, а не отменяет их.
Статистическая физика не отменяет термодинамики, а
релятивистская и квантовая механики не отменяют классическую
механику, а лишь определяют границы области её применимости1.
Возникают также новые смыслы в пространственно-временных
описаниях больших, саморегулирующихся систем.
Исследования сложных саморегулирующихся систем особенно
активизировались с возникновением кибернетики, теории
информации и теории систем, хотя, как отмечает B.C. Степин,
«многие особенности их категориального описания были выявлены
предшествующим развитием биологии и, в определенной мере,
квантовой физики»2. В процессе возникновения квантовой физики
появилась необходимость существенной переработки всего
категориального аппарата классической физики. Кроме того, был
сформулирован принцип дополнительности и появились
представления о вероятностной причинности, в которых
прослеживаются черты описания сложных саморегулирующихся
систем.
См.: Липкин А.И. Парадигмы, исследовательские программы и ядро раздела науки в физике // Вопросы
философии. 2006. № 6. – С. 99.
2
Степин В.С. Саморазвивающиеся системы и постнеклассическая рациональность // Вопросы философии.
2003. № 8. – С. 7.
1
134
Сложные саморазвивающиеся (самоорганизующиеся) системы
характеризуются открытостью, обменом энергией, веществом и
информацией с внешней средой. В таких системах «формируются
особые информационные структуры, фиксирующие важные для
целостности системы особенности её взаимодействия со средой.
Эти структуры выступают в функции программ поведения
систем»1. «Под самоорганизацией понимается целенаправленный
процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или
совершенствуется организация сложной динамической системы»2.
Самоорганизация - это свойство системы так реагировать на
изменения условий существования, чтобы путем локальных
изменений структуры сохранить глобальную устойчивость и
обеспечить тем самым условия своего дальнейшего существования
и усложнения путем образования новых структур.
Выделяют различные формы самоорганизации систем:
диссипативная самоорганизация (образование структур с
рассеиванием
использованной
энергии),
консервативная
самоорганизация (образование структур кристаллов, биополимеров
и т. д.), дисперсионная самоорганизация (образование солитонных
структур, т. е. структур, состоящих из устойчивых уединенных
волн - солитонов) и другие.
Решающее значение для создания теории самоорганизации
имели развитие и разработка методологии следующих научных
дисциплин:
1.
термодинамики необратимых процессов в открытых
системах;
2.
нелинейной механики, электрофизики и физики лазеров;
3.
химической кинетики сильно неравновесных процессов;
4.
нелинейной динамики популяции в экологии;
5.
нелинейной теории регулирования, кибернетики и
системного анализа.
До середины XX в. в естествознании сложились различные
противоположные концепции объяснения процессов эволюции
живой и неживой природы. В самом деле, если в теории Дарвина
эволюция приводила к совершенствованию и усложнению живых
систем в результате их адаптации к изменяющимся условиям
Там же. - С. 7.
Раджабов О.Р., Гусейханов М.К. Формирование естественно научной картины мира. – М.: Наука, 2006. – С.
198.
1
2
135
среды, то в классической физике она связывалась с
дезорганизацией и разрушением системы. Такое представление
вытекало из второго начала термодинамики, согласно которому
закрытая система постепенно эволюционирует в сторону
беспорядка, дезорганизации и увеличения энтропии.
Хотя части рассматриваемых физических систем строго
подчиняются известным законам механики, квантовой механики и
электродинамики, существует величина, называемая энтропией,
которая не сводится к свойствам составных частей тела, а
описывает свойства всей системы в целом. Энтропия - один из
важных примеров, подтверждающих правильность тезиса о том,
что целое представляет собой нечто большее, чем сумму своих
составных частей. Следовательно, по степени возрастания
энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем
самым и о времени её эволюция. И действительно, в
термодинамическом смысле эволюция предстает процессом
непрерывной дезорганизации или разрушения изначального
порядка. В этом смысле эволюция Вселенной представляет собой
непрерывный процесс перехода от порядка к хаосу.
А биологическая концепция утверждает, что процесс развития
идет, наоборот, от хаоса к порядку. Оказалось, что отмеченная
противоположность космологической и биологической форм
развития является непринципиальной. Это выяснилось в ходе
построения новой термодинамики, в которой вводится понятие
открытой системы, способной обмениваться с окружающей средой
веществом, энергией и информацией. Новая термодинамика,
которую именуют неравновесной или нелинейной, была создана
усилиями брюссельской школы во главе с И. Пригожиным.1
Открытая система по своей сути не может быть равновесной в силу
того, что её функционирование требует интенсивного,
непрерывного обмена энергией и веществом с внешней средой. В
результате такого взаимодействия система извлекает порядок из
окружающей среды и вносит беспорядок в эту среду.
Неравновесность в системе естественно возрастает, что приводит к
разрушению прежней взаимосвязи между элементами системы, но
при этом между элементами системы, как правило, возникают
См.: Пригожин И. Время, структура и флуктуация // Успехи физических наук. 1980. Т. 131. Вып. 2. – С.
135-207.
1
136
новые связи, которые приводят к так называемым кооперативным
или самоорганизующимся процессам. Такое направление
исследований немецкий физик Г. Хакен назвал синергетикой1 (в
переводе с древнегреческого означает совместное, кооперативное
действие), что хорошо передает смысл и цель нового научного
подхода к изучению явлений.
Начало теории синергетики было предложено Т. Хакеном еще в
1960-х гг. в результате попыток объяснить когерентность
поведения атомов в лазере. Впоследствии он расширил
смыслообразующие интервалы этого понятия и представил
синергетику как универсальный подход к объяснению явлений в
физике, химии и биологии, развивая общую идею о том, что
переход от хаоса к порядку в различных системах (от физических
до социальных) подчиняется одним и тем же фундаментальным
принципам. Позиция Г. Хакена в полном подходе четко выражается
в
следующем
его
высказывании:
«Синергетика
как
интердисциплинарное
исследование
касается
кооперации
индивидуальных
частей
системы,
которая
продуцирует
макроскопические
пространственно-временные
или
2
функциональные структуры» . В рамках этого направления
формируются новые принципы суперпозиции, сборки сложного
эволюционного целого развивающихся структур из простых частей.
Целое в таком контексте не сводится к сумме механических частей:
имеет место перекрытие областей локализации с дефектом энергии.
Одним из принципов согласования частей в целое в этом случае
может быть установление их общего темпа развития,
сосуществование структур разного возраста в одном темпомире.
Такой тип связи рассматривается и в «термодинамической» версии
самоорганизации (С.П. Курдюмов, Е.Н. Князева)3. К числу
основоположников теории синергетики как совокупности
принципов функционирования самоорганизующих систем многие
авторы4 относят бельгийского физико-химика И. Пригожина,
сформировавшего концепцию диссипативных структур в контексте
химической кинетики и термодинамики5.
См.: Хакен Г. Синергетика. – М.: Мир, 1980. – 404 с.
Haken H. Synergetics: anoverview // Rep. Progr. Phes. 1989. V. 52. - P. 515-553.
3
См.: Князева Е., Курдюмов С. Основания синергетики. Режимы с обострением, самоорганизация,
темпомиры. - СПб.: Алатея, 2002. – С. 111.
4
См.: Степин В.С. Теоретическое знание. – М., 2000. – С. 650-679.
5
См.: Пригожин И. От существующего к возникающему. – М.: Наука, 1985. – 346 с.
1
2
137
При определенных неравновесных условиях в открытой
системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть
упорядоченные структуры. Эту особенность системы назвали
самоорганизацией. Под влиянием действия крупномасштабных
флуктуаций возникают коллективные формы движения, между
которыми начинается конкуренция, происходит отбор устойчивых,
возникают новые структуры. Устойчивые состояния не теряют
устойчивости при флуктуациях параметров - влияние флуктуации
погашается за счет внутренних процессов. Неустойчивые системы,
наоборот, начинают усиливать флуктуации. Г. Хакен выделил роль
коллективных процессов, коллективного действия многих
подсистем. Отсюда и название складывающейся концепции.
Синергетика изучает механизмы взаимодействия в сложных
открытых системах с положительной обратной связью. Это
взаимодействие ведет к согласованному, кооперативному
поведению подсистем и сопровождается образованием новых
устойчивых
структур
и
самоорганизацией
системы.
Самоорганизация выступает как источник эволюции систем, так
как она служит началом процесса возникновения качественно
новых и более сложных структур в развитии системы. Образование
упорядоченных структур происходит в открытых системах при
достижении определенного порогового значения в далеком от
равновесия состоянии. На микроуровне при самоорганизации
происходит процесс расширения или усиления флуктуации
вследствие увеличения неравновесности системы под воздействием
среды. Необходимым условием самоорганизации является ее
диссипативность. Диссипативность на макроуровне и микроуровне
различаются: в первом случае она проявляется как хаос, а во
втором не как разрушающий фактор, а как сила, выводящая
систему на тот или иной путь структурирования.
Известно, что И.Р. Пригожин пришел к своим идеям из анализа
специфических химических реакций, которые приводят к
образованию определенных пространственных структур с течением
времени при изменении концентрации реагирующих веществ.
Вместе со своими сотрудниками он построил математическую
модель таких реакций.
В 1951 г. Белоусов Б.П. описал самоорганизующуюся
химическую
реакцию,
в
которой
возникают
138
самоподдерживающиеся колебания во времени. Более подробно
такого рода реакции были исследованы группой ученых под
руководством Жаботинского A.M. В этих реакциях малоновая
кислота, как органическое вещество, окисляется броматами в
растворе серной кислоты в присутствии определенного
катализатора. В результате реакций раствор, в котором находятся
эти вещества, начинает периодически менять свою окраску с
голубого на красный так, что этот самоорганизующийся процесс
можно рассматривать как своеобразные «химические часы». В
дальнейшем было обнаружено возникновение периодических
структур не только во времени, но и в пространстве или
одновременно в пространстве и во времени. Механизмы таких
реакций весьма сложны.
Теоретической
основой
модели
стала
нелинейная
термодинамика, изучающая процессы, происходящие в нелинейных
неравновесных системах под воздействием флуктуации. Если такая
система удалена от точки термодинамического равновесия, то
возникающие в ней флуктуации в результате взаимодействия со
средой будут усиливаться и, в конце концов, приведут к
разрушению прежнего порядка или структуры, а тем самым и к
возникновению новой системы. Структура и системы,
возникающие при этом, И.Р. Пригожин назвал диссипативными,
поскольку они образуются за счет диссипации или рассеяния
энергии, использованной системой, и получения из окружающей
среды новой, свежей энергии1.
Примером сказанного является работа лазера. Если между
двумя параллельными зеркалами создать неистощимый источник
возбужденных атомов (рабочая среда – рубиновый стержень),
количество фотонов по фазе друг с другом будет накапливаться по
мере того, как свет будет блуждать туда и сюда. При этом вначале
возбуждение атомов будет хаотическим, в дальнейшем будет
происходить переход работы лезера от хаотического излучения к
самосогласованному
(самоорганизованному),
коллективное
излучение атомов становится упорядоченным, т. е. происходит
самоорганизация, обладающая рядом замечательных свойств.
1
См.: Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: Наука, 1979. – 512 с.
139
Известно, что термин «самоорганизующаяся система» впервые
ввел в научный обиход У.Р. Эшби1. В настоящее время понятие
самоорганизации, возведенное в ранг неотъемлемого признака
существования различного рода неравновесных систем и явившееся
одним из самых значительных откровений постнеклассической
науки и философии, подвергается глубокому анализу. Следует
отметить, что «характеристические признаки самоорганизации
фрагментарно
обнаруживаются
в
различных
сферах
2
эпистемологического пространства» . Еще в начале XX века А.А.
Богданов в своей монографии «Всеобщая организационная наука
(текттология)» выявил общие закономерности организации самых
различных систем и уровней, в частности соотношение
устойчивого и изменчивого.3 Далее эти идеи получили развитие в
общей теории систем, сформулированной австрийским биологом Л.
Берталанфи4. Наибольшее развитие эти идеи получили в
кибернетике как науке об управлении сложными системами со
множеством прямых и обратных связей5.
Кроме того, надо отметить, что гегелевское саморазвитие
абсолютной идеи содержит и смысл самого понятия
«самоорганизация». По мнению В.С. Степина, Гегель предвосхитил
на метафизическом уровне общий принцип функционирования
саморазвивающихся систем. Развертывая свои внутренние
противоречия, объект порождает «свое иное», которое
взаимодействует с породившим его основанием и наращивает
новые уровни организации, формируя новое целое. Интересны в
этом плане представления, которые развивают в своих работах С.П.
Курдюмов и его школа. С.П. Курдюмов для раскрытия смысла
понятия
«самоорганизация»
привлекает
закономерности
функционирования
открытых
нелинейных
систем
с
использованием
математического
аппарата.
Всякая
самоорганизующаяся система, по его мнению, открыта, «но не
См.: Казаков Н. Концепция самоорганизации - междисциплинарная парадигма современной науки //
Проблемы методологии постнеклассической науки. – М.: ИФРАН, 1992. – С. 111-117.
2
Дрюк М.А. Синергетика - позитивное знание и философский импрессионазм // Вопросы философии. 2004.
№ 10. – С. 103.
3
Палющев Б. Системность и структурный подход как аспекты рационализма в познании // Проблемы
методологии постнеклассической науки. – М.: ИФРАН, 1992. – С. 73-74.
4
См.: Bertlaffy HFn Outline of General System // British Journal for Philosophy of Science. 1950. V. 1. N 2. – P.
164-165.
5
См.: Винер Н. Кибернетика и общество. – М.: Прогресс, 1968. – С. 520.
1
140
всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры»1.
Следует отметить также, что в концепции самоорганизации
Курдюмова, в отличие от концепции Пригожина, хаосу отводится
весьма скромное место. Диссипация как макроскопическое
проявление хаоса рассматривается всего лишь как необходимый
элемент саморазвития мира. В то же время Курдюмов на
микроуровне рассматривает хаос как силу, выводящую на
аттрактор, на тенденцию самоструктуирования нелинейной среды.
На
основе
математического
использования
понятия
нелинейности
он
выявил
ряд
особенностей
феномена
самоорганизации. Одной из этих особенностей является
дискретность путей эволюции саморазвивающейся системы. Это
означает, что в данной нелинейной среде возможен не любой путь
эволюции, а лишь строго определенный, специфический
исключительно для неё спектр альтернативных направлений
вероятных
процессов.
Если система, с точки зрения И.
Пригожина, не «сама» выбирает и тем самым делает то или иное
направление предпочтительным, то согласно Курдюмову, выбор
пути эволюции осуществляется в момент бифуркации через
случайность. «Конечно, если работает случайность, то имеют
место блуждания, но не какие угодно, а в рамках вполне
определенного детерминированного поля возможностей»2. Эти
возможности, по мнению автора, обеспечиваются наличием
спектра структур, возбуждаемых различной топологией начальных
воздействий на нелинейную среду.
В развитие парадигмы самоорганизации новые оттенки вносит
и интенсивно развиваемое в последнее время понятие
«нестабильность». И. Пригожин в своей известной статье
«Философия
нестабильности»,
характеризуя
сущность
происходящих революционных перемен в науке, отмечает, что эти
перемены связаны с переходом от детерминизма к нестабильности,
то есть «нестабильность в некотором отношении заменяет
детерминизм». Позиция Курдюмова в этом вопросе также
отличается от позиции Пригожина, который рассматривает
нестабильность и равновесие как два противоположных по
содержанию и дополняющих друг друга режима развития процесса
Князева В., Курдюмов С. Основания синергетики. Режимы с обострением, самоорганизация, темпомиры. СПб.: Алетемя, 2002. – С. 446.
2
Там же. - С. 48
1
141
самоорганизации. Эти режимы периодически сменяют друг друга,
чередуются во времени. Курдюмов полагает, «что протекание
самоорганизующихся процессов в режиме нестабильности не ведет
к отсутствию детерминизма как такового, как утверждает И.
Пригожин. Речь идет о существовании иной, более сложной,
парадоксальной закономерности, иного типа детерминизма».1
Таким образом, по верному замечанию М.А. Дрюка, «философия
нестабильности», по Курдюмову, трансформируется в «философию
детерминизма иного типа»2. Хотя в этих вопросах до сих пор нет
достаточной ясности, особенно в отношении к живой материи, на
наш взгляд, представляется очевидным вывод о том, что есть
мостик
между
мертвой
и
живой
природой,
между
самодостраиванием нелинейно эволюционирующих структур и
высшими проявлениями творческой интуиции человека. При этом в
неживой природе пока можно говорить лишь об аналоговых
моделях поведения сложных самоорганизующихся систем. А путь
от таких аналоговых моделей объекта, особенно в такой сложной,
экстравагантной области, подобен пути «через тернии к звездам».
Отсутствуют, по мнению М.А. Дрюка, «какие-либо основания
проводить под знаком глобального эволюционизма идею
чистейшего физического редукционизма, суть которого в том, что
законы развития живого и неживого во многом сходны и ведут
через самоорганизацию к самоусложнению систем»3.
Живая система использует всю накопленную в течение
процесса эволюции информацию и способна к воспроизводству.
Она является одновременно приемником, хранилищем и
передатчиком информации разного рода, в том числе и
генетической, и поскольку эти ее функции определяют смысл ее
существования, реакции такой системы на изменения внешних
условий оптимальны. Самоорганизующиеся же системы, получая
ограниченную информацию из локального пространственновременного источника, ведут себя квазиоптимальным образом.
«Живые системы отличаются от самоорганизующихся, по крайней
мере, в двух аспектах: 1) для выработки оптимальных реакций они
используют всю накопленную в течение процесса эволюции и
Там же. - С. 42.
Дрюк М.А. Синергетика: позитивное знание и философский импрессионизм // Вопросы философии. 2004.
№ 10. – С. 106.
3
Указ. соч. - С. 106-107.
1
2
142
закодированную на генном уровне информацию; 2) они способны к
воспроизводству.
Понятие оптимальности реакции предполагает выбор такого
пути развития, который обеспечивал бы продолжение жизни и ее
воспроизводство. Разумная система в дополнение к этим качествам
обладает еще и способностью прогнозировать развитие событий во
внешней среде и принимать решения относительно выбора своих
ответных реакций, поскольку отличает себя от среды. Более того,
разумная система способна прогнозировать свои взаимоотношения
с изменчивой средой и перестраивать ее в соответствии с
собственной оценкой целесообразности таких действий. Степень
разумности определяется масштабами планируемых перестроек
окружающей среды и количеством учитываемых при этом
факторов»1.
Другой видный теоретик самоорганизации немецкий ученый
М. Эйген доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора
продолжает сохранять свое значение и на микроуровне. Поэтому он
имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат
процесса отбора, происходящего на молекулярном уровне. Он
показал, что сложные органические структуры с адаптационными
характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу
отбора, в котором адаптация оптимизируется самими структурами.
«Предпосылками для осуществления такой самоорганизации
макромолекул являются взаимодействие системы со средой или
открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ,
мутации и естественный отбор»2.
Таким образом, медленно, но неуклонно в разных
направлениях науки формировалось убеждение, что во всех этих
исследованиях существует единое концептуальное ядро, которое
служит общей их основой, оно и составляет парадигму
исследования процессов самоорганизации. Если в кибернетике
акцентируется внимание на анализе динамического равновесия в
самоорганизующихся системах и делается упор на принцип
отрицательной обратной связи, согласно которому всякое
Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. - М., 2001. – С.
155.
2
Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. - М.: Мир, 1973. – С. 286.
Молекулярная самоорганизация и ранние стадии эволюции // Успехи физических наук. 1973. Т. 109. – С.
545-589.
1
143
отклонение системы корректируется управляющим устройством
после получения информации об этом, то в синергетике, в
противоположность
кибернетике,
исследуются
механизмы
возникновения новых состояний, структур и форм в процессе
самоорганизации, а не сохранения или поддержания старых форм.
Поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи.
С понятием самоорганизации связывают некоторые надежды в
плане объяснения содержания космологического антропного
принципа. Полагают, что в рамках широкой теории, описывающей
процессы организации в системе Вселенная-человек, антропный
принцип получит объяснение или даже будет возведен в ранг
закона. Подобная надежда обусловлена тем, что в современную
эпоху можно констатировать наличие определенного результата
такой самоорганизации. Тот факт, что жизнь, разум пришли к
современному состоянию своих отношений с окружающей
природой в процессе организации, не вызывает сомнений, исходя
из исторического анализа этой организации на уровне геогенеза,
биогенеза, социогенеза.
Современная космология показывает, что самоорганизация в
системе Вселенная-человек имела место лишь на позднем этапе
эволюции Вселенной. Полезно соотнести пространственновременные масштабы процессов, происходящих на ранних стадиях
эволюции Вселенной и в поздние эпохи, чтобы раскрыть
эвристические возможности применения идеи самоорганизации для
совместного объяснения космогенеза и биогенеза. Из результатов
космологии с очевидностью следует, что собственно биогенез (как
процесс развития и эволюции той формы живого, с которой
человек имеет дело в масштабах Земли) мог начаться только после
того, как во Вселенной возникли структуры типа галактик, звезд,
планет. Образование последних стало возможным только после
отделения вещества от излучения. Из рассмотрения шкалы
характерных этапов космологической эволюции легко вывести, что
эпоха, в которую произошло образование крупномасштабной
структуры Вселенной, галактик, звезд и планет, занимает малую
часть всей шкалы эволюции (для наглядности можно привести
такие две цифры: с момента отделения вещества от излучения до
современного
состояния
Вселенной
характерный
пространственный масштаб увеличился в десять раз; с момента же
144
начала космологического расширения, описываемого классической
физикой, до современной эпохи тот же пространственный масштаб
увеличился в 1061 раз). То же можно сказать и в отношении
биогенеза.
При
всей
концептуальной
«мощи»
теории
самоорганизации, которая, по мнению некоторых ученых, призвана
дать картину становления всей конкретной формы существования
материального мира во всех ее проявлениях, в том числе и земной
самоорганизации всей астрономической Вселенной. Оказалось, что
она может быть эффективной только в ограниченном
пространственно-временном масштабе. При этом точку зрения, что
общие
законы,
характеризующие
целостные
аспекты
эволюционного процесса, проявляясь через физические свойства,
могло обусловить существование в сверхплотном начальном
состоянии многих потенций дальнейшей эволюции (в том числе
возникновения жизни, разума), следует понимать только так, что
начальные условия для процесса самоорганизации в системе
Вселенная-человек определяются результатом космологической
эволюции на момент времени отделения вещества от излучения, то
есть определенным набором сформировавшихся к тому времени
физических постоянных.
Поскольку космология пытается реконструировать эволюцию
Вселенной, используя в качестве исходных данных современные
значения наблюдаемых астрономических параметров, и строит
теорию так, чтобы в процессе динамического развития из
некоторого исходного состояния можно было вывести её
современное состояние, то начальные условия самоорганизации
действительно можно считать, с одной стороны, заложенными в
начале расширения, а с другой стороны - обращенными во времени
конечными условиями, соответствующими современной эпохе.
Однако эти начальные условия не содержатся в теории, а являются
начальными данными для самой теории.
Из приведенных рассуждений следует, что понятие
«самоорганизация» может играть эвристическую роль при
построении теории, объясняющей одновременно эволюционные
процессы в системе Вселенная-человек, однако для построения
такой теории требуются данные, находящиеся в информационной
области этой теории. Такая информация конкретизирует в
объектном аспекте уникальный характер самоорганизации, тем
145
самым предметная область, подлежащая исследованию, сужается,
становится конечной. На этом основании можно утверждать, что
понятие «глобальный эволюционизм», предсказывающее понятие
«самоорганизация», имеет объективный аналог. На самом деле, на
каждом фиксированном этапе естественно-научного исследования
понятие «глобальный эволюционизм» присутствует неявно в
относительно универсальных понятиях, которые отражают
наиболее существенные свойства объективной реальности.
Возведение этих понятий в ранг атрибутов объективной
реальности дает возможность говорить об относительно
универсальных
признаках
этих
атрибутов.
В
силу
самосогласованности всей системы атрибутов объективная
реальность при фиксации определенного содержания этих
признаков выступает в виде онтологически определенного мира.
Таким образом, через свое относительно универсальное
содержание концепция глобального эволюционизма проникает в
физическую картину мира и выступает как научная парадигма.
Конкретность, уникальность процесса самоорганизации в
системе Вселенная-человек определяются её начальными
условиями, которые, в свою очередь, детерминированы
фундаментальными физическими постоянными, связанными с
характеристиками крупномасштабной структуры Вселенной.
Поскольку
эволюционные
процессы
идут
на
фоне
космологического
расширения,
то
начальные
условия
самоорганизации динамически связаны с конечными, т.е. с
условиями в современную эпоху. Отсюда можно заключить, что
космологический антропный принцип по своему содержанию
констатирует начальные условия процесса самоорганизации.
Другими словами, для осуществления процесса самоорганизации
необходимы (но не достаточны) определенные начальные условия,
содержащиеся (в форме так называемых космических совпадений)
в антропном принципе. «Благодаря
акту самоорганизации
актуализируется соответствующий конкретный мир вместе с
согласованным с ним субъектом. На основании этого можно
сделать вывод, что слабый антропный принцип, указывая на
привилегированность нашего положения во Вселенной, фиксирует
результат этого акта самоорганизации, фиксирует «координатную
146
систему»1, в которой материальный мир выступает на уровне
единичного неуниверсального содержания, т. е. как вид реальности.
Сильный антропный принцип, требующий, чтобы Вселенная
обладала свойствами, которые позволят развиться в ней жизни на
некотором этапе истории, утверждает, что начальные условия для
акта самоорганизации в системе Вселенная-человек и его
реализация не могут быть произвольными, а с необходимостью
таковы, что в процессе реализуется наблюдаемый сейчас тип
отношения. «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные
параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в
ней на некотором этапе эволюции) допускалось существование
наблюдателей»2. Тот вид реальности, который фиксирует слабый
антропный принцип, должен конструироваться в процессе развития
реальности в виде конкретного фиксированного содержания
неуниверсальных признаков атрибутов.
Телеологическая
интерпретация
сильного
антропного
принципа сводится к утверждению, что существует одна возможная
Вселенная, «сотворенная» с целью порождения и поддержания
наблюдателей3. Заметим, что телеологический эволюционизм
здесь не имеет философской природы, ибо интерпретация дается на
уровне неуниверсальных признаков атрибутов. При рассмотрении
Вселенной в виде сложной самосогласованной динамической
системы
законы движения Вселенной дополнены законами
функционирования и развития, а энергетические связи –
информационными и квазителеологическим.
Преодоление телеологической интерпретации сильного
антропного принципа осуществляется апелляцией к концепции
множественности миров на уровне видов реальности. К такому
многообразию приводит, например, многомировая интерпретация
квантовой механики и следующая из неё космологическая модель.
В новой версии антропный принцип гласит: необходим ансамбль
различных вселенных для существования нашей Вселенной.
По
мнению
Ю.В. Балашова,
«в соединении с гипотезой
ансамбля сильный антропный принцип становится чем-то похожим
на слабый антропный принцип не по содержанию..., но по способу
Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии // Космология: теория и
наблюдения. – М., 1978. – С. 436.
2
Там же. – С. 373.
3
См.: Рузавин Г.И. Синергетика и системный подход // Философские науки. 1985. № 5. – С. 48-55.
1
147
использования (modus operand) в
научной
аргументации»1.
Каждая из таких вселенных не является ни уникальной, ни
всеобъемлющей.
Мы
имеем
дело
с
определенным
представителем этого ансамбля - нашей Вселенной. Множество
вселенных возникает в этой версии антропного принципа на основе
неограниченного континуального или дискретного распределения
фундаментальных физических постоянных по различным мирам.
Делается допущение о возможности существования миров,
основанных на тех же физических законах, что и «наш», но с
другими численными значениями констант. «Перебор» таких
объектов, как Вселенная, осуществляется варьированием
численных значений фундаментальных физических постоянных,
которые определяют специфику конкретной единичной Вселенной.
По словам П. Девиса, в этом подходе «природа потворствует
расточительному повторению вселенных»2, причем, как замечает
Дж. Уилер, эти вселенные никому не нужны, ибо их некому
наблюдать. Известно, что такая концепция многообразия миров,
как, впрочем, и всякая другая, основанная на многообразии видов
реальности, является примером количественной, «дурной»
бесконечности.
Если даже предположить, что каждая из вселенных, входящих
в ансамбль, представляет собой особый объект физики, монадо,
подобную сущность, которая «элементарна» не в смысле своей
неделимости, а в плане «предельности», т. е. «всякая попытка
воздействия на нее с целью выяснения её природы выявит вместе с
тем некоторые свойства мира в целом», то многообразие будет
теперь иметь место на уровне монад-вселенных, причем, поскольку
с точки зрения внешней рефлексии все монады представляют собой
однокачественные объекты, то концепция множественности миров
становится воплощенной в виде «дурной» бесконечности видов
миров.
Приведенные версии космологического антропного принципа
являют собой резюме эволюции, генезиса отношений в системе
Вселенная-человек. Однако сам генезис не раскрыт. В этих
формулировках отсутствует какое-либо философское обоснование
Балашов Ю.В. Антропный космологический принцип в зеркале критики // Философские науки. 1990. № 9.
– С. 34.
2
Davis J.J. The design argument, cosmic “finetuning” and the antropic principle // Journal philosophy of religionDordrecht, 1987. Vol. 22. – P. 143.
1
148
актуализации нашего вида реальности и его уникальности в смысле
конкретности не только как логического резюме, но и как
естественноисторического процесса. Апелляция к ансамблю
вселенных неудовлетворительна с философской точки зрения еще и
потому, что отсутствует указание на внутренний источник
механизма реализации нашего экземпляра Вселенной. Процесс
ветвления не может служить примером конкретного самодвижения,
самоорганизации материи, осознания ею самой себя через
социальную форму движения как социального оформления
Вселенной. Для слабой и сильной версий антропного принципа в
космологии это закономерно, ибо на уровне видов реальности
нельзя раскрыть диалектику качественного-количественого
развития Вселенной, а тем самым и процесс «самоотбора»
(самоорганизации) Вселенной, в который включается и вся
деятельность человека, в ходе которой происходит констанция
результата этого самоотбора.
Таким образом, включение в
проблематику антропного принципа аспекта становления этого
принципа в процессе познания требует проведения логикогносеологического анализа тех теорий, которые сделали
возможной его формулировку.
Сам же онтологический
статус антропного принципа в космологии может быть выявлен
только на этой основе. Для полноты понимания смысла антропного
принципа необходимо остановиться еще на одной его
разновидности на принципе соучастия Уилера. В рамках этой
версии «наблюдатели необходимы для того, чтобы ввергнуть
Вселенную в бытие»1.
Уиллер, таким образом, ставит наблюдателя в центр всей
проблемы, поскольку, по его мнению, наблюдатель самим актом
своего наблюдения создает все те свойства Вселенной, которые
впоследствии создают и его самого. Необходимо отметить, что
Уилер в термин «возникновение» вкладывает глубокий смысл,
поскольку он связан с такими понятиями, как эволюция, генезис,
самоорганизация, самосоотносимость, саморефлексия.
Анализируя осциллирующую модель Вселенной (в которой
имеется бесконечный ряд последственных процессов расширениясжатия Вселенной и где при каждом последующем коллапсе в
конечной сингулярности происходит полная смена физических
1
Barrow J.D., Tippler F.J. The Antropic Cosmological principle. - Oxford, 1986. – P. 22.
149
констант и законов, так что на каком-то этапе осцилляции
реализуется наш тип Вселенной), Дж. Уилер заключает, что такого
типа космология безразлична к вопросу о том, как возникла
Вселенная. В качестве альтернативы он выдвигает модель
самоотносящейся Вселенной. В рамках такой модели: 1) один цикл
эволюции Вселенной (в многомировом подходе это соответствует
одному экземпляру Вселенной), 2) законы физики и константы
заложены в космологической сингулярности Большого Взрыва,
дающего начало циклу эволюции, 3) действует принцип, согласно
которому Вселенная не могла возникнуть до тех пор, пока
случайности эволюции не создали условия для возникновения на
некотором конечном промежутке времени создания, которое
придаст смысл, значение этой Вселенной с начала и до конца.
Вселенная посредством наблюдений приобретает ту осязаемость,
которую мы называем реальностью. Уилер вопрошает: не
порождают ли каким-то образом миллиарды наблюдений, как
попало собранных вместе, гигантскую Вселенную со всеми её
величественными закономерностями?1
Таким
образом,
возникновение
Вселенной
следует
рассматривать как генезис объективного содержания понятия
«Вселенная» в форме коллективного человеческого сознания. В
версии антропного принципа Уилера затронут вопрос не только об
объективном аспекте места человека во Вселенной, но и о
познавательном, гносеологическом отношении, о зависимости
картины Вселенной от условий познания и «устройства»
познающего субъекта. В таком подходе Вселенная, как
определенная самоорганизующаяся, эволюционирующая
вместе
с человеком система, выступает уже не просто как конкретный вид
реальности, но и как тип реальности. Антропный принцип
выступает здесь как принцип отбора, самоотбора типа реальности.
Кроме того, в этой версии содержится мысль «о неделимой,
целостной, взаимосвязанной и взаимосогласованной картине мира,
в которой тип устройства»2 субъекта глубоко переплетен со
структурой всей Вселенной. В этом смысле изучение Вселенной и
изучение сознания связаны между собой, и прогресс в одной
области невозможен без прогресса в другой.
См.: Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. – М.: Мир, 1974. – Т. 1. – 474 с.
Цехмистро И.З. Поиски квантовой концепции физических оснований сознания. - Харьков, 1981. – С. 100118.
1
2
150
С версией участия Уилера коррелируются идеи И. Пригожина,
выступающие
как
результат
обобщения
неравновесной
термодинамики и статистической физики. В отличие от исходной
версии антропного принципа участия, где атрибутной природой
были
наделены
такие
понятия,
как
«наблюдаемость»,
«представимость в виде пространственно-временного явления», в
содержание
атрибутов
включены
такие
понятия,
как
«необратимость» и «неравновесность».
«Непреложный «космологический факт» состоит в следующем:
для того, чтобы макроскопический мир был миром обитаемым, в
котором живут «наблюдатели», т. е. живым миром, Вселенная
должна находиться в сильно неравновесном состоянии». Из факта
существования человека делается вывод о физических свойствах
Вселенной. Действительно, если принять как факт, что имеет место
результат самоорганизации в системе Вселенная-человек, то для
того, чтобы она произошла, система должна находиться в
неравновесном состоянии. Это соответствует результатам
экспериментов по наблюдению явлений самоорганизации и
образования диссипативных структур в термодинамических,
биологических и других системах.
Для нас существенно то, что в концепции И. Пригожина
необратимости и неравновесности придается универсальный
характер. Необратимость существует либо на всех уровнях, либо не
существует ни на одном уровне. Она не может возникать, словно
чудо, при переходе с одного уровня на другой1. На всех уровнях,
будь то уровень макроскопической физики, уровень флуктуации
или микроскопический уровень, источником порядка является
неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает «порядок
из хаоса». Необратимость существует на макроскопическом уровне
и играет важную конструктивную роль. Это факт, но имеются
веские основания утверждать, что в микроскопическом мире также
должно быть нечто, проявляющееся на макроскопическом уровне,
подобное необратимости. И поэтому «имеется возможность
установить эволюционную парадигму в физике, причем не только
на макроскопическом, но и на всех уровнях описания».2 И такая
эволюционная парадигма должна «охватывать изолированные
1
2
См.: Пригожин И. От существующего к возникающему. – М.: Наука, 1985. – 346 с.
Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М., 1986. – С. 43-44.
151
системы, эволюционирующие к хаосу, и открытые системы,
эволюционирующие ко все более высоким формам сложности». Из
этих высказываний вытекает: необратимость и неравновестность
как элементы самоорганизации присущи всем типам реальности, а,
следовательно, они носят атрибутный характер.
Глобальный эволюционизм проявляется здесь в предсказаниях
таких понятий, как «самоотносимость», «наблюдаемость»,
«необратимость» и «неравновестность». В этой концепции
содержится мысль о неделимой, целостной, взаимосвязанной и
взаимосогласованной картине мира, в которой квантовая
реальность глубоко переплетена со структурой всей Вселенной, где
элементарная частица, человек и Вселенная представляются как
неразделимые стороны одной реальности1.
В финалистической версии антропного принципа акцент
перемещен на деятельную роль человека в проектировании
будущего Вселенной. Говоря об активной деятельной роли
человека, Т.Н. Березина отмечает, что «антропный принцип в его
финалистической версии может выступать методологической
основой космической деятельности человека»2. Кроме того, данная
версия антропного принципа включает и такой аспект деятельной
роли человека, как распространение разума по всей Вселенной. С
этой точки зрения, возможна экспансия разума (в рамках
финалистического антропного принципа постулируется бессмертие
разумных информационных процессов) на все бесконечное число
возможных миров в целях их освоения и преобразования. Если
отвлечься от излишне спекулятивных утверждений, то версию
Типплера можно уложить в рамки вполне корректного
методологического требования: познать и достаточно полно
объяснить физическую Вселенную невозможно без всестороннего
учета факта существования человека, который есть результат всей
предшествующей эволюции Вселенной и деятельное начало ее
будущего развития. Таким образом, в рамках этой версии
содержание антропного принципа, очерченное формулой «вот,
человек, какой должна быть Вселенная!», выводит нас к новому
кругу проблем, связанных с концепцией универсальности человека,
глобальным осмыслением факта возникновения и развития разума.
1
2
См.: Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. – Махачкала, 2007. – 258 с.
Березина Т.Н. Антропный космический принцип // Философские науки. 1984. № 5. – С. 84-95.
152
В частности, к идее о возможных формах существования разума и
«разумных информационных процессах», о будущей деятельности
разумной жизни, которая может стать, по мнению Г.Ф. Хильми,
«организатором Вселенной»1. Таким образом, человек, по
выражению М. Хайдеггера, «делается тем сущим, на которое в роде
своего бытия опирается все сущее. Человек становится точкой
отсчета для сущего как такового»2.
До сих пор речь шла об эволюционном происхождении
«субстратных» аспектов структуры Вселенной. В настоящее время
интенсивно дискутируется и другой аспект эволюции Вселенной,
связанный с изменением ее космических характеристик: квантовых
параметров элементарных частиц и констант фундаментальных
взаимодействий, которые могли меняться на ранних этапах
космологического расширения.
Проблема об изменчивости законов природы наиболее остро
была поставлена в одной из последних работ А. Пуанкаре3. Анализ
ситуации привел А. Пуанкаре к выводу о том, что
фундаментальные законы природы неизменны по определению и
их постоянство всегда возможно спасти переходом на новый
уровень фундаментальности. Не вдаваясь в анализ аргументаций,
приведших Пуанкаре к таким выводам, отметим, что речь в данном
случае идет о тех практических трудностях, с которыми
столкнулось бы допущение изменчивости законов природы.
Поэтому «принцип Пуанкаре» есть, по существу, умозаключение от
наличных возможностей науки к тому, каким должен быть
реальный мир.
В настоящее время появились реальные основания считать, что
принцип Пуанкаре, полученный из анализа локальных физических
ситуаций, перестает работать в космологической перспективе. Это
связано с тем, что теоретическое отображение объекта космологии
- Вселенной - в системе знания имеет некоторую специфику,
связанную с обретением нового смысла, разделением элементов
физического объяснения на фактологические и номологические.
Оказалось,
что
важнейшие
космические
(«устойчивые»,
«необходимые» и «существенные») аспекты эволюционирующей
Хильми Г.Ф. Хаос и жизнь // Населенный космос. – М.: Мир, 1972. – С. 48.
Хайдеггер М. Время и бытие. – М., 1993. – С. 48.
3
См.: Пятницын Б.П., Меськов В.С. Об описании дополнительности в логических системах квантовой
механики // Принцип дополнительности и материалистическая диалектика. – М.: Наука, 1976. – С. 321-337.
1
2
153
Вселенной могут быть осмыслены в качестве следствий
фактуальных («случайных» и «несущественных» в стандартном
понимании) аспектов. Так, например, по одной из версий, причиной
нарушения
симметрии
между
фундаментальными
взаимодействиями является такая фактуальная характеристика, как
понижение температуры в результате расширения Вселенной после
«Большого Взрыва». Это говорит о том, что специфические
начальные условия определяют происхождение не только
физической (субстрактной) структуры Вселенной в ходе эволюции,
но и ее фундаментальной номической структуры. Можно сказать,
что для понимания самых глубоких сущностных характеристик
физического мира «начальные условия» оказываются не менее
важными, чем законы. В самой же космологической перспективе
сфера существования законов должна быть коэкстенсивной объему
самой Вселенной. Причем, со всеобщностью законов природы
может коррелироваться глобальный характер фактуальных
физических свойств, определяющих состояние универсума.
Поэтому все законы природы находятся в «поле воздействия»
физической структуры Вселенной. Поскольку свойства физической
структуры Вселенной быстро менялись в самые первые мгновения
космологической эволюции, то ничто в этих условиях не
гарантирует неизменности самих фундаментальных связей и
отношений, погруженных в коэкстенсивный им «мир явлений».
«Любая космическая характеристика, - пишет Ю.В. Балашов, обретает благодаря этому «диахронное» эволюционное измерение.
Константы взаимодействий оказываются, по одной из моделей,
«бегущими» динамическими факторами, величины которых
меняются на ранних этапах космологического расширения»1.
Однако следует отметить, что существует совершенно иная
точка зрения, согласно которой «за фундаментальными законами
природы вкупе с начальными условиями космологической
эволюции стоит некий общий принцип, не являющийся физическим
законом»2.
При
разнообразии
расставляемых
акцентов
несомненной является необходимость правильного учета между
законами и «начальными условиями», поскольку не подвергается
сомнению факт их весьма нетривиальных отношений. В этом плане
Балашов Ю.В. Возможна ли эволюция фундаментальных законов природы // Философские науки. 1989. №
2. – С. 25.
2
Wheeler J.A. On recognizing “law without law” // Am. J. Physics. – 1983. – Vol. 51. – N 5. – P. 398.
1
154
выдвигаются различные подходы, в которых пытаются
элиминировать роль начальных условий, полагая их случайными.
Их роль в процессе эволюции Вселенной должна нейтрализоваться
определенными физическими процессами.
Совершенно иная схема предлагается в некоторых версиях
квантовой космологии, описывающих возникновение Вселенной из
вакуумной флуктуации. Так, например, в варианте Хартла Хокинга граничные условия 3-мерной геометрии возникшей таким
путем Вселенной жестко определяются ее квантовым состоянием,
подчиняющимся уравнению Уиллера де Витта - аналогу уравнения
Шрёдингера для квантовой гравитации, и в этом смысле не могут
быть произвольными, то есть квантовые принципы накладывают
сильные ограничения на характер последующей эволюции
Вселенной1.
Таким образом, можно с достаточной уверенностью
утверждать о возможной изменчивости фундаментальных законов
природы, и эта изменчивость задается не явной зависимостью их от
времени, а воздействием меняющейся глобальной структуры
Вселенной. Происходит не просто эволюция, а коэволюция
комплекса «объекты + факторы и движущие силы их развития».
Существует ещё одна возможность эвристической реализации
идеи взаимосвязи рядов эволюции материи в рамках парадигмы
самоорганизации. Речь идет о том круге астрофизических идей,
который в специальной литературе обозначен как «загадка
больших чисел». Имеются в виду так называемые космологические
совпадения: отношения радиуса наблюдаемой Вселенной к радиусу
электрона, плотности вещества электрона к средней плотности
вещества Вселенной, а также электрической силы притяжения
между протоном и электроном к аналогической гравитационной
силе равны одному и тому же безразмерному «большому числу» 1040. Эти совпадения чисел, относящихся к количественным
аспектам различных уровней организации физического мира,
далеко не случайны и свидетельствуют о том, что мы должны в
своем познавательном процессе изучения этих явлений выйти на
постижение нового уровня системности нашей Вселенной в рамках
парадигмы самоорганизации.
См.: Hartle J.B., Hawking S.W. Wave function of the Universe // Physical review. 1983. Vol. 28 D. N 12. – P.
2960-2975.
1
155
Таким образом, синергетика как теория самоорганизации
позволила:
1) в познавательном процессе перенести акцент с бытия на
становление, что привело к изучению эволюционизирующего мира.
А необходимость концептуального анализа эволюционирующих
структур привела к выработке нового языка, основанного на
принципах открытости, сложности, нелинейности, нестабильности
и неравновесности динамических систем;
2) сформулировать представления о кооперативных эффектах,
определяющих воссоздание целостности сложных систем;
3)выдвинуть и обосновать концепцию динамического хаоса,
раскрывающую механизмы эволюции сложных, открытых систем;
4) выработать новый тип физической рациональности, новый
диалог
человека с природой. Процесс исследования закономерностей
окружающего
мира благодаря концепции самоорганизации превратился в
живой диалог исследователя с природой, при котором роль
наблюдателя становится ощутимой, осязаемой и зримой.
3.2. Хаос, случайность, неустойчивость как конструктивные
механизмы построения нелинейной картины мира
Синергетика вводит в научный обиход новые понятия,
принципиально новое видение мира и новое понимание процессов
развития. Оно принципиально отлично от преобладающего способа
видения, который господствовал на протяжении предшествующих
столетий в классической науке - науке Ньютона и Лапласа, в
которой хаос, случайность, неустойчивость исключались как
внешние и несущественные. Процессы в мире представлялись как
обратимые во времени, предсказуемые и ретросказуемые на
неограниченно большом промежутке времени, а эволюция - как
процесс, лишенный ответвлений, возвратов, побочных линий.
Такая картина мира классической науки основывается на принципе
линейности фундаментальных законов, то есть на строго
однозначных зависимостях.
Согласно Гольбаху, например, «ничего в природе не может
произойти случайно, всё следует определенным законам; эти
156
законы являются лишь необходимой связью определенных
следствий с их причинами... Говорить о случайном сцеплении
атомов либо приписывать некоторые следствия случайности значит говорить о поведении законов, по которым тела действуют,
встречаются, соединяются... разъединяются»1.
Описание реальной изменчивости производилось по
канонической механической модели: аппарат динамики (линейные
уравнения движения) с фиксацией начальных условий для
установленного момента времени. Этого было достаточно для
исчерпывающего воссоздания картины любой развивающейся
системы.
Физический смысл принципа линейности сводится к
утверждению, согласно которому отклик системы на относительно
малые воздействия на неё линейно (пропорционально) зависят от
их силы. С математической точки зрения, речь идет о линейных
дифференциальных уравнениях, в которых неизвестные величины
входят в степени не выше единицы (например, уравнения
Максвелла, уравнения Гамильтона и т. д.).
Принципиальная возможность представить почти любую
закономерную связь явлений в виде линейного уравнения
превратилась в один из важнейших идеалов классического физикоматематического
естествознания.
Если
линейные
дифференциальные уравнения получили широкое применение в
классической науке, то нелинейные уравнения долгое время не
были в поле зрения физико-математического естествознания, хотя
их никто полностью и не игнорировал. Даже у Ньютона уравнение,
например для силы взаимного притяжения тел, имеет нелинейный
характер. Нелинейность в математическом плане отражает
определенный вид математических уравнений, содержащих
искомые величины в степенях больших единицы или
коэффициенты, зависящие от свойств среды. Нелинейные
уравнения имеют несколько (более одного) решений.
Одним из принципиальных отличий нелинейных уравнений от
линейных является нарушение у первых принципа суперпозиции
(или аддитивности) сумма частных решений нелинейного
уравнения не есть также его решение. «Это свойство, - как
подчеркивают В.И. Аршипов, С.П. Курдюмов и Я.Н. Свирский, 1
Гольбах П. Избранные антирелигиозные произведения. – М., 1934. Т. I. – С. 34-35.
157
нашло отражение при качественном анализе нелинейных
уравнений с помощью фазовой плоскости»1. Выяснилось, что вид
траекторий интегральных кривых, изображенных на фазовой
плоскости и полученных из нелинейного уравнения, меняется при
переходе от одной области фазовой плоскости к другой. Следует
отметить, что с помощью понятия фазовой плоскости удается
акцентировать внимание на возможность одновременного
представления всего набора состояний данного объекта.
Фазовая плоскость наглядно демонстрирует тот факт, что даже
в несложном нелинейном уравнении в неявном виде присутствует
широкий спектр способов существования данного фрагмента
реальности.
Причем
каждое
конкретное
воплощение
моделируемого объекта есть видимая форма глубинного
содержания, заключенного в нелинейном уравнении. Отсюда
вытекает качественный смысл нелинейности. Множеству решений
нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции
системы, описываемых этими уравнениями (нелинейной системы).
Нелинейность в самом общем, мировоззренческом плане может
быть
развернута
посредством
идеи
многовариантности
(альтернативности) путей эволюции, идеи выбора из альтернатив и
вытекающей отсюда идеи необратимости эволюции.
Таким образом, был открыт новый мир нелинейных систем,
который оказался гораздо богаче мира закрытых, линейных систем.
Вместе с тем «нелинейный мир» и труднее поддается
моделированию.
Большинство
возникающих
нелинейных
уравнений не может быть решено аналитически. Как правило, для
их (приближенного) решения требуется сочетание современных
аналитических методов с большими сериями расчетов на ЭВМ, с
вычислительными экспериментами. Нелинейность открывает для
исследования - необычные для классического и неклассического
естествознания - стороны мира: его нестабильность, случайность,
многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия
существования и устойчивого развития сложных структур, делает
возможным моделирование катастрофических ситуаций.
Нелинейными методами было осуществлено моделирование
многих
Аршинов В.И., Курдюмов С.П., Свирский Я.И. Классическая механика Ньютона и проблема
самоорганизации в современном научном познании // Ньютон и философские проблемы физики ХХ века:
Сборник статей; / Под ред. Ахундова М.Д. и Илларионова С.В. – М.: Наука, 1991. – С. 110.
1
158
сложных самоорганизующихся систем в физике и гидродинамике, в
химии
и
биологии, в астрофизике и в обществе: от морфогенеза в биологии
и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла
самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов
в химии (так называемая реакция самоструктуирования химических
соединений Белоусова - Жаботинского) до эволюции звезд,
галактик и Вселенной в целом, от электронных приборов до
формирования общественного мнения и демографических
процессов.
Следует отметить, что формирование научного аппарата
нелинейной картины мира происходило по нескольким
направлениям. В математике это теория особенностей (А.
Пуанкаре,
А.А.
Андронов,
X.
Уитни)
и
теория
1
катастроф (Р. Том, К. Зимин, В.И. Арнольд) , в физике, химии и
биологии – это работы И.Р. Пригожина и его Брюссельской
школы2, 3 по термодинамике необратимых процессов, а также
работы Г. Хакена4. Итог их исследований - формирование нового
научного направления - синергетики. В России исследованию этих
процессов посвящены работы С.П. Курдюмова, Г.Г. Малинецкого,
А.А. Самарского, в которых выдвинут ряд оригинальных идей для
понимания механизмов возникновения и эволюции относительно
устойчивых структур в нелинейных средах. В работах М.В.
Волькенштейна и Д.С. Чернавского развивается синергетический
подход для решения вопросов о генерации ценной информации в
эволюционных процессах. Широко известны работы академика
Н.Н. Моисеева, в которых разрабатываются идеи глобального
эволюционизма и коэволюции человека и природы. В работах Ю.А.
Данилова, Б.Б. Кадомцева, Г.Р. Иваницкого, С.В. Петухова, Ю.М.
Романовского выдвинут ряд оригинальных идей, развивающих
синергетический подход.
Переход от ньютоновской к эволюционно-синергетической
парадигме более всего связан с неклассической трактовкой
объективного формообразования. Качественная изменчивость
См.: Арнольд В.И. Теория катастроф. – М.: Изд. Московского университета, 1983. – С. 80.
См.: Пригожин И. От существующего к возникающему. – М.: Наука, 1985. – 346 с.
3
См.: Пригожин И. Время, структура и флуктуация // Успехи физических наук. 1980. Т. 131. Вып. 2. – С.
135-207.
4
См.: Хакен Г. Синергетика. – М.: Мир, 1980.
1
2
159
организации
явлений
не
плод
задетерминированности, предзаданности, а, наоборот, это плод
конструктивной роли случая в становлении новых форм, дающих
начало очередным эволюционным рядам. «Избирательные,
чувствительные к собственной истории, адаптационные механизмы
порождения этих рядов носят нелинейный характер»1. По словам
Пригожина и Стэнгерса, «...в состоянии равновесия материя
«слепа», тогда как в сильно неравновесных условиях она обретает
способность воспринимать различия во внешнем мире (например,
слабые гравитационные и электрические поля) и учитывать их
в своем функционировании»2.
Базовыми принципами, на основе которых изучаются
механизмы самопроизвольного возникновения, относительно
устойчивого существования и саморазрушения макроскопических
упорядоченных структур в нелинейных системах, являются 8
принципов.
1. Принцип открытости системы. По своему определению
понятие «самоорганизующаяся система» предполагает, что система
находится в состоянии постоянного взаимодействия со своим
окружением, извлекая из него все необходимое. Таким образом, для
самоорганизации принципиально необходима открытая система, то
есть система, которая обменивается с окружающей средой
веществом, энергией и информацией. Следует отметить, что этот
факт противоречит самим основам классической термодинамики.
Классическая термодинамика имеет дело с закрытыми
изолированными системами, которых в природе практически не
существует, они не обмениваются со средой веществом, энергией и
информацией. И их рассмотрение в физике есть факт значительного
упрощения, схематизации и идеализации самой действительности.
Поэтому второе начало термодинамики в буквальном смысле
неприменимо к открытым системам. В таких системах может
происходить рост беспорядка, энтропии системы, но за счет
притока энергии извне процессы дезорганизации могут быть
приостановлены.
Напомним, что центральным понятием термодинамики
является понятие энтропии. Это понятие относится к закрытым
Ильин В.В. Неклассическая и постнеклассическая наука // Философия науки: Учебное пособие для вузов. –
М., 2004. – С. 116.
2
Пригожин И., Стэнгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М., 1986. – С. 55-56.
1
160
системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно
охарактеризовать температурой. Именно по отношению к
закрытым системам и были сформулированы два начала
термодинамики. В соответствии с первым началом термодинамики
в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать
различные формы.
Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе
энтропия никогда не может убывать, а лишь возрастает до тех пор,
пока не достигнет максимума. Иначе говоря, согласно второму
началу термодинамики запас энергии во Вселенной постоянно
иссякает, и вся Вселенная неизбежно должна приближаться к
тепловой смерти. Поскольку энтропия рассматривается как мера
беспорядка, то хаос в замкнутой системе не убивает, он может
лишь возрастать. Замкнутая Вселенная идет к хаосу. Ход событий
во
Вселенной
невозможно
повернуть
вспять,
дабы
воспрепятствовать
возрастанию
энтропии.
Со
временем
способность Вселенной поддерживать организационные структуры
ослабевает, и такие структуры распадаются на менее
организованные, которые в большей мере наделены случайными
элементами. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает
энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что
Вселенную ждет все более однородное будущее.
Вместе с тем уже во второй половине XIX века, и особенно в
XX веке, биология, и прежде всего теория эволюции Дарвина,
убедительно показали, что эволюция живого не приводит к
понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм
материи. Скорее, наоборот, история и эволюция живого
показывает, что её развитие идет в противоположном направлении
- от простого к сложному, от низших форм организации к высшим,
от менее организационного к более организационному. Иначе
говоря, со временем, старея, живое обретает все более сложную
организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с
выводами биологических и социальных наук долгое время были
безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать
закономерности открытых систем. И только в конце XX века, с
переходом естествознания к изучению открытых систем появилась
возможность такого согласования.
161
Что такое открытые системы? Открытые системы - это такие
системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за
счет непрерывного притока извне вещества, энергии или
информации. Постоянный приток вещества, энергии или
информации является необходимым условием существования
неравновесных состояний в противоположность замкнутым
системам, которые неизбежно стремятся (в соответствии со вторым
началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию.
Открытые системы - это системы необратимые; в них важным
оказывается фактор времени.
Нашу Землю можно рассматривать как гигантскую открытую
систему, в которой на протяжении последних 3,8 миллиарда лет
разыгрываются процессы самоорганизации и эволюции. Процессы
эволюции на Земле, по существу, развертывались в тонком слое
земной поверхности, толщина которого составляет лишь
незначительную долю радиуса Земли, - слое, состоящем из
скальных и осадочных пород, вод и атмосферы. Эволюция в
поверхностных
слоях
Земли
охватывает
геологические,
атмосферные и биологические процессы. Энтропийными насосами,
приводящими в действие эти процессы эволюции, служат
солнечное излучение и запасы энергии в ядре Земли, передаваемые
поверхностным слоям посредством теплопроводности и тепловой
конвекции, радиоактивного излучения, извержений вулканов,
энергии тектонических движений. В качестве космического
источника энергии следует также упомянуть космическое
излучение, хотя оно составляет не более 0,1% солнечного
излучения. Возможные процессы самоорганизации и эволюции на
Земле приводятся в действие перепадом, или градиентом,
температур между Солнцем или ядром Земли, с одной стороны, и
температурой космического пространства (фонового излучения), с
другой стороны. Собственное излучение Земли оказывает лишь
пренебрежимо слабое влияние на температуру Солнца или
космического пространства, поэтому Землю можно рассматривать
как пассивную систему, сквозь которую «прокачивается» энергия.
Процесс, создающий этот поток энергии, приводит к деградации
энергии, т. е. к производству энтропии.
162
На языке иерархических уровней принцип открытости, по
мнению В.Г. Буданова, подчеркивает два следующих важных
обстоятельства:
1) «это возможность явлений самоорганизации бытия в форме
существования стабильных неравновесных структур макроуровня
(открытость макроуровня к микроуровню при фиксированных
управляющих параметра)»;
2) это «...возможность самоорганизации становления, т. е.
возможность смены типов неравновесной структуры, типа
аттрактора (открытость макроуровня мегауровню меняющихся
управляющих параметров)»1.
2. Принцип диссипации, или рассеяния. Открытая система
обменивается с окружающей средой энергией. Система как бы
извлекает порядок из среды, но при этом использованная для этого
энергия обесценивается и рассеивается в окружающей среде, а
взамен неё система получает из среды уже новую энергию.
Открытые
неравновесные
системы,
активно
взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое
динамическое состояние -диссипативность. Диссипативность - это
качественно
своеобразное
макроскопическое
проявление
процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное
протекание множества микропроцессов приобретает некоторую
интегративную результирующую на макроуровне, которая
качественно отличается от того, что происходит с каждым
отдельным её микроэлементом. Благодаря диссипативности в
неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы
структур, может совершаться переход от хаоса и беспорядка к
порядку и организации, могут возникать новые динамические
состояния материи.
Диссипация есть необходимый процесс, способствующий
выстраиванию регулярной структуры в нелинейной открытой
среде. Диссипация гасит, уничтожает все «лишние» вихревые
потоки и оставляет только те, которые образуют структуру.
Диссипативность проявляется в различных формах: и в
способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, и
в
факторе
«естественного
отбора»
среди
множества
микропроцессов, разрушающих то, что не отвечает общей
1
Буданов В.Г. О методологии синергетики // Вопросы философии. 2006. № 5. – С. 89.
163
тенденции развития, и в факторе когерентности (согласованности)
микропроцессов, устанавливающем в них некий общий темп
развития и др.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием
«параметров порядка». Самоорганизующиеся системы - это обычно
очень сложные открытые системы, которые характеризуются
огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени
свободы системы одинаково важны для её функционирования. С
течением времени в системе выделяется небольшое количество
ведущих, определяющих степеней свободы, к которым
«подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы
системы получили название «параметров порядка».
Параметры порядка отражают содержание основания
неравновесной системы. В процессе самоорганизации возникает
множество новых свойств и состояний. И очень важно, что обычно
соотношения, связывающие параметры порядка, оказываются
намного проще, чем математические модели, в которых дается
детальное описание всей новой системы. Это делает задачу
определения параметров порядка одной из главных при конкретном
моделировании самоорганизующихся систем.
3. Принцип
удаленности
системы
от
точки
термодинамического равновесия. Принцип нелинейности
изначально предполагает, что открытая система может быть
самоорганизующейся исключительно в тех случаях, когда система
находится
достаточно
далеко
от
точки
термодинамического равновесия. В противном случае, то есть если
система будет находиться вблизи от точки термодинамического
взаимодействия, велика вероятность того, что система придет в
состояние термодинамического равновесия. Хотя имеются
примеры того, что движение систем к равновесию может
сопровождаться возникновением новых упорядоченных структур
(образование кристаллов,
снега, биологических мембран из
жидкости), но в целом все закрытые или частично открытые
системы стремятся к равновесию, то есть подчиняются принципу
Больцмана.
4. Принцип возникновения порядка через флуктуации.
Этот принцип совершено отличается от принципа Больцмана по
характеру и поведению систем.
Если
открытая
система
164
интенсивно обменивается с окружением веществом, энергией
и информацией, то такая система неизбежно будет стремиться к
определенному порядку, к некоторому динамическому состоянию,
соответствующему
характеру
неравновесности.
И
само
возникновение нового порядка происходит через флуктуации, то
есть через случайные отключения параметров, характеризующих
систему, от их среднего значения. В результате флуктуации в
системе могут появляться режимы, в которых неустойчивость
может усиливаться до уровня появления особой точки, в которой
происходит переход системы к новому порядку. В такой точке,
которая называется точкой бифуркации (ветвления решения),
система скачкообразно переходит к одному из многих возможных
состояний. Поскольку в соответствии с принципом Больцмана
система необратимо
стремится к равновесию, к нарушению
порядка, то принцип возникновения порядка через флуктуации
можно было бы назвать отрицательным принципом Больцмана.
В точке бифуркации макроуровень как бы исчезает, возникает
прямой контакт микро- и мегауровней, рождающий макроуровень с
иными качествами. Анализ этой ситуации привел Ю.Л.
Климонтовича
к
следующему
парадоксальному
выводу:
«Возникновение турбулентности, вихрей текущей жидкости вовсе
не есть увеличение беспорядка, но рождение коллективных
макродвижений, макроскопических степеней свободы, параметров
порядка из хаотических броуновских, тепловых движений
микроуровня жидкости - рождения порядка. Беспорядок ощущается
исключительно с позицией микроуровня как процесс увеличения
его сложности и непредсказуемости»1.
В точке бифукации происходит выбор, эволюционный отбор
альтернатив развития макроуровня. При этом флуктуации, будущее
альтернативы конкурируют и побеждает наиболее быстрорастущая
из них - порядок через флуктуации. При этом имеется различие
между
самоорганизацией
в
режиме
становления
и
самоорганизацией в режиме бытия. Таким образом, «феномен
самоорганизации принципиально по-разному проявляется в фазах
бытия и становления»2.
1
2
Климонтович Ю.Л. Физика открытых систем. – М., 2000. – С. 327.
Буданов В.Г. О методологии синергетики // Вопросы философии. 2006. № 5. – С. 91.
165
5.
Принцип
необратимости.
Нелинейные
системы
характеризуются принципиальной необратимостью процессов.
Дело в том, что принцип возникновения самоорганизации требует
диссипации энергии в окружающей систему среде, а этот процесс
принципиально необратим. Этот процесс более всего выражен в
биологических и социальных системах, поскольку такие системы
имеют чрезвычайно сложный характер и в них самоорганизация
происходит в результате интенсивного обмена с окружением
веществом и энергией. Более того, на уровне живого возникают
такие системы (автопоэтические), которые не просто обмениваются
со средой веществом и энергией, а непрерывно самообновляются.
Необратимость не есть результат наших недостаточных знаний,
и она (необратимость) характерна не только для макроскопического
уровня, она должна существовать на всех физических уровнях.
Мир, в котором мы живем, является миром процессов, в которых
информация и структура не только сохраняются, но и разрушаются.
В картине мира, важнейшим свойством которого является
необратимость, развитие рассматривается как последовательность
деструктивных и креативных процессов.
Необратимость выступает как принцип, который однозначно
следует из второго начала термодинамики, поскольку второе
начало должно привести к отбору физически реализуемых структур
вещества и пространства-времени.
Относительная универсальность необратимости означает, что у
неё имеется количественно-определенный аспект, который
сводится к следующему: необратимость начинается тогда, когда
сложность эволюционирующей системы превосходит некий порог,
при этом восприятие ориентированного времени возрастает по мере
того, как повышается уровень биологической организации, и
достигает кульминационной точки в человеческом сознании. С этой
точки зрения человек занимает в мире совершено исключительное
положение. Отсюда следует, что в проблематику изучения системы
человек-Вселенная внесен элемент эволюции, становления.
Антропный принцип не только констатирует форму реализации
вида или типа реальности, но и приводит к выводу, что такая
констатация возможна только как результат эволюции, развития
Вселенной. Слабая версия антропного принципа, например, в этом
аспекте получает развитие: привилегированность человека во
166
Вселенной имеет место на уровне типа реальности, фиксируемого
содержанием относительно-универсального признака - атрибута
движения необратимости.
Гносеологическим коррелятом этого выступает необратимость
субъективных ощущений человека, которая является своего рода
отличительным признаком нашего участия в мире, находящемся во
власти эволюционной парадигмы. По мнению И. Пригожина,
природу невозможно описывать «извне», с позиций зрителя.
Описание природы - живой диалог, коммуникация, и она
подчинена ограничениям, свидетельствующим о том, что мы макроскопические существа, погруженные в реальный физический
мир. На основе неравновесной термодинамики он дает следующую
схему описания такого осознания: «Мы начинаем с наблюдателя,
измеряющего координаты и импульсы и исследующего, как они
изменяются во времени. В ходе своих измерений он совершает
открытие: узнает о существовании неустойчивых систем и других
явлений, связанных с внутренней случайностью и внутренней
необратимостью. Но от внутренней необратимости и энтропии мы
переходим к диссипативным структурам в сильно неравновесных
системах, что позволяет нам понять ориентированную во времени
деятельность наблюдателя», таким образом, «описав полный круг,
мы вернулись в исходную точку и теперь видим себя как
неотъемлемую часть того мира, который описываем»1.
6. Принцип
положительной
обратной
связи.
В
нелинейных системах возникающие в системе изменения и
противоречия
не устраняются управленческими решениями, а
напротив, накапливаются и усиливаются, что приводит к
появлению новой организации нового порядка, новой структуры
системы. Этот принцип существенно отличается от принципа
отрицательной обратной связи, на котором базируются, например,
кибернетические процессы. В кибернетических системах речь
может идти только о самоорганизации, направленной
на
достижение оптимальной структуры её элементов, и то
рассмотренной с функциональной точки зрения. Поэтому в таких
системах возникающие изменения не усиливаются, а наоборот,
корректируются, регулируются управляющими
устройствами,
дабы сохранить равновесие системы.
1
Пригожин И., Стингер И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М., 1986. – С. 43-44.
167
7. Принцип
нарушения
симметрии.
Процессы
саморегуляции
и
эволюция
нелинейных
систем,
сопровождающиеся переходом от одного структурного порядка к
другому, сопровождаются также фазовыми переходами с
нарушением симметрии. Нелинейная система в симметричном
состоянии не обладает абсолютным минимумом энергии, и
состояние системы может оказаться крайне неустойчивым.
Поэтому любые несимметричные возмущения, флуктуации могут
нарушить симметрию состояния и привести систему к новой
структурной организации. Принцип нарушения симметрии в
нелинейных средах, таким образом, характеризует процессы
«рождения», творения нового порядка, отражая определенный
динамизм эволюции систем.
8. Принцип достаточной сложности. Система должна
содержать достаточное число элементов, которые находятся в
состоянии многоаспектных взаимосвязей, образуют сложную
«паутину отношений» для возникновения самоорганизации.
Несоблюдение этих условий приводит к невозможности появления
кооперативного поведения элементов системы и, следовательно, к
возникновению самоорганизации.
Уже одно перечисление базовых, системообразующих понятий
и принципов данной научной парадигмы (нелинейность,
самоорганизация,
открытость,
сложность,
бифуркация,
когерентность, аттрактор, хаос, случайность и другие)
свидетельствует о её принципиальном отличии не только от
классической, но и от неклассической модели бытия. «Вот почему,
- пишет по этому поводу К.Х. Делокаров, - новая
междисциплинарная сфера научного знания стала сразу оказывать
влияние на философию, и в первую очередь на философию
постмодернизма»1.
Синергетика приводит также к осознанию сложности и
нелинейности мира, который предстает перед нами как
диалектическое единство порядка и хаоса. Хаос не перманентная
характеристика системы. Но он - чрезвычайно важный момент в
развитии системы, и в нем есть объединяющие силы, которые
выступают неким организующим началом. Речь идет об
Делокаров К.Х. Системная парадигма современной науки и синергетика // Общественные науки и
современность. 2000. № 6. – С. 112.
1
168
образовании упорядоченных структур из хаоса или наоборот. По
этому поводу Е. Князева и С. Курдюмов замечают:
«Конструктивный
хаос
конструктивен
через
свою
разрушительность и благодаря ей, разрушителен на базе
конструктивности и через неё. Разрушая, он строит, а строя,
приводит к разрушению»1. Хаос, таким образом, не зло, не фактор
только разрушения, а важное свойство процессов самоорганизации,
необходимое для выхода на аттрактор для создания сложной
диссипативной структуры в нелинейной открытой среде.
«Непонятными
остаются
источники,
движущие
силы
самоорганизации и самоуправления систем. Снова, как и в случае
физико-химических
процессов,
в
качестве
механизма
самоорганизации выступает хаос, способный выводить системы на
новые структуры – аттракторы эволюции»2. О том, что хаос,
беспорядок, случайности необходимы для рождения нового, в
своеобразной форме говорил ещё Фридрих Ницше: «Нужно носить
в себе ещё хаос, чтобы быть в состоянии родить танцующую
звезду». По мнению Ж. Делеза и Ф. Гваттари, в новых условиях
«философ выносит из хаоса вариации, которые остаются
бесконечными, но становятся неразделимыми в тех абсолютных
поверхностях или объемах, которыми начертан секущий план
имманенции; это уже не ассоциация отдельных идей, но
воссоединение целей над каждой зоной неразличимости в
концепте»3.
Наличие конструктивного начала в хаосе отмечают не только
ученые, которые работают в области синергетики. Так, академик Д.
Лихачев в своей статье «Через хаос к гармонии» пишет: «В хаосе
кроется условие творческого начала, и это условие творчества
должно нас интересовать при изучении искусств - как и то, что
сопротивляется этому творческому началу»4. Конструктивная роль
хаоса проявляется в целом ряде форм, прежде всего как условие
для перехода на новый аттрактор, увеличения разнообразия,
необходимых для запуска процессов самоорганизации. «Хаос как
Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика как новое мировидение: диалог с И. Пригожиным // Вопросы
философии. 1992. № 12. – С. 18.
2
Дрюк М.А. Синергетика: позитивное знание и философский импрессионизм // Вопросы философии. 2004.
№ 10. – С. 112.
3
Делез Ж., Гваттари Ф. Что такое философия? - М.-СПб., 1998. – С. 258.
4
Лихачев Д.С. Через хаос к гармонии // Очерки по философии художественного творчества. – СПб., 1999. –
С. 91.
1
169
своего рода «поле возможностей» лежит также в основе
объединения различных структур, согласования темпов их
эволюции и усложнения организации, установления общего темпа
развития процессов – синхронизации, а также служит
предпосылкой переключения, смены режимов, перехода к новым
структурам, спадам и подъемам, колебательным режимам
нелинейных систем».1
Всякий процесс развития сопровождается огромным
количеством случайностей. Еще со времен Аристотеля в
классической науке считалось, что случайности не влияют на
развертывание самого процесса, не определяют его динамику.
Только в поэтических творениях и восточных учениях, в которых
мир воспринимается как единая взаимосвязанная сущность с
всепроникающей связью всего со всем, мелкие, незначительные,
случайные детали могут привести к иным картинам мира и в целом
развернуть веер новых форм бытия. В каждой мимолетности вижу
я миры, полные изменчивой радужной игры, - отмечал К.Д.
Бальмонт (1902).
В восточных формах мысли также закреплено понимание того,
что в мире все важно и важно как элемент некоего Единого. В
каждой частице отражается весь мир, и он в его составе играет
равную роль наряду с его другими малыми и большими
фрагментами.
Изменения в понимании роли случайного в возникновении
нового в действительности впервые начали осознавать в рамках
рационального постижения мира в философии. Со случайностью
там связывается возможность возникновения нового. Проблема
возникновения нового - это достаточно сложная проблема, в
которой одновременно представлено достаточное множество
различных проблем, в том числе и проблема качественного скачка,
и проблема эмержентности (неопределенности и относительной
необусловленности возникающего нового качества), и проблема
спонтанного рождения определенного целого.
Только с формированием синергетики стало возможным понять
и оценить подлинную роль случайности. В рамках синергетики
показывается, что в открытых нелинейных средах малое
воздействие, флуктуация, случайность могут приводит к
1
Микешина Л.А. Философия науки. – М.: Изд. дом Международного университета в Москве, 2006. – С. 372.
170
качественно новому результату. «Случайность есть существенно
нелинейная характеристика, характеристика нелинейного мира»1.
Малая флуктуация при определенных условиях может разрастаться
в макроструктуру. В качестве такого условия выступает прежде
всего особое состояние нелинейной среды, которое называется
неустойчивостью. Состояние неустойчивости нелинейной среды
означает её большую чувствительность даже к малым
флуктуациям. Оказалось, что неустойчивость содержит в себя
некий конструктивный механизм, который приводит к
качественным перестройкам нелинейной открытой среды. То есть
неустойчивость становится необходимой основой всякого процесса
развития. Более того, случайности (малые флуктуации) могут
определять направления дальнейшей эволюции. Иными словами,
случайность указывает на наличие в нелинейных средах скрытых
путей развития. Выяснилось, что существует очень много путей
развития, форм самоструктурализации среды. В этом аспекте
говорят о спектре эволюционных форм наблюдаемой Вселенной, о
спектре биологических форм, о спектре экономических и
политических структур. Собственные свойства среды, в принципе,
определяют, какие именно конфигурации, пути эволюции могут
быть реализованы. Случайность же определяет возможные
«блуждания» по спектру путей развития, проявляя, высвечивая,
обнаруживая
возможные
пути
развития.
В
состоянии
неустойчивости (вблизи бифуркации) случайность может
обусловить (актуализировать) из целого спектра одну из
возможных относительно устойчивых структур. Случайность
может
привести
к
несоизмеримым
катастрофическим
последствиям, к новой макроструктуре. Но такое происходит тогда,
когда
случайность
пространственно
согласована
с
соответствующей формой самоструктурализации среды.
Отсюда вытекает, что случайность несет в себя некое
творческое, конструктивное начало, поскольку она может
выступать в качестве той силы, которая может вывести систему на
новый аттрактор. Случайность инициирует (служит начальным
спусковым механизмом) процесс самореализации нелинейной
среды, высвечивая внутреннюю тенденцию ее организации. Ф.
Энгельс рассматривал случайность как «дополнение и форму
1
Сачков Ю.В. Конструктивная роль случая // Вопросы философии. 1988. № 5. – С. 94.
171
проявления необходимости»1. Но исследование процессов
самоорганизации в нелинейных процессах позволило существенно
углубить понимание связи случайности и необходимости.
Оказывается, что не только случайность может выступать как
дополнение необходимости, но необходимость - как дополнение
случайности. Синергетика вкладывает в это утверждение
следующий смысл. Однозначное направление эволюции системы,
когда пройдена точка бифуркации (осуществлен «выбор»
направления), до следующей бифуркации является результатом
корреляции всех флуктуаций. Необходимость и случайность
взаимодополняют друг друга и в плане их укорененности в бытии
они равноправны.
Случайности по своей природе могут быть двух типов. Первый
тип случайности характеризует процесс эволюции, её переломные,
революционные, поворотные этапы. Второй тип составляют
случайности, которыми облекается, сопровождается всякий
направленный процесс изменений, когда направленность уже
сложилась, выявилась, обнаружилась. Если случайность первого
типа «порождает» необходимость, то случайность второго типа
добавляет элемент неопределенности, неоднозначности и тем
самым способствует самовыстраиванию необходимости.
Философы издавна связывали природу случайности с
возможностью возникновения нового в действительности. В
существовании случайности они видели один из выходов из
парадокса развития, возможность возникновения нового в мире.
Эта проблема представляет собой целый сгусток сложных проблем,
в том числе и таких, как проблема качественного скачка, проблема
эмержентности, то есть непредсказуемости и относительной
необусловленности возникновения нового качества, рождение его
сразу, вдруг и как некоего целого, а не по частям, не фрагментарно
и т. п.
Оказалось, что сами механизмы образования и разрушения
структур, механизмы перехода от хаоса к порядку и обратно не
зависят от конкретной природы элементов и подсистем. Такое
положение стирает непреодолимые грани между физическими и
химическими процессами, с одной стороны, и биологическими - с
другой, поскольку здесь исследуются общие механизмы
1
Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 39. – С. 175.
172
самоорганизации. Нелинейные системы ведут себя как живые
системы в том смысле, что их реакция на внешние воздействия
зависит не только от величины этого воздействия, но и
существенным, нелинейным образом от собственных свойств
системы. «В физических и химических процессах образования
относительно устойчивых структур при соответствующих условиях
проявляются, - пишет Е.Н. Князева, - те же свойства
самодостраивания,
самовоспроизведения
структур,
направленности, но получается целое... В этом (и не только в этом!)
смысле относительно устойчивые структуры, возникающие в
нелинейных системах (например, в процессе горения,
теплопроводности, структуры «мертвой» природы), как бы
оживают: рождаются, претерпевают направленные необратимые
изменения и разрушаются, умирают»1.
Следует отметить, что само возникновение устойчивых
сложных структур более всего определяется свойствами среды,
набором её собственных функций. Поэтому внешнее навязывание
среде структуры, форма которой не соответствует какой-либо
собственной функции, оказывается безрезультатным. Сами же
«допустимые структуры, являющиеся асимптотиками процессов на
среде, суть аналоги аттракторов на фазовой плоскости»2. Для
построения необходимой структуры необходимо задать начальные
данные, что равносильно резонансному возбуждению среды.
Резонансное возбуждение может иметь место в результате
случайной установки нужных исходных условий завсегда имеющих
место. К сложным самоорганизующимся системам относятся
биологические системы, Земля в целом, Вселенная
как система
систем,
рассматриваемые не только в аспекте их
функционирования, но и в аспекте их развития. К таким системам,
прежде всего, относятся современные сложные компьютерные
сети, все социальные объекты, рассмотренные с учетом их
исторического развития, флуктуации на микроуровне. Тогда на
среде происходит спонтанная самоорганизация структур. При этом
необходимо подчеркнуть, что в зависимости от значений
внутренних и внешних воздействий система эволюционирует поКнязева Е.Н. Случайность, которая творит мир // В поисках нового мироведения / И. Пригожин, Е. и Н.
Рерихи: Серия «Философия и жизнь». 1991. – С. 11.
2
Аршинов В.И., Курдюмов С.П., Свирский Я.И. Классическая механика и проблемы самоорганизации в
современном научном познании // Ньютон и философские проблемы физики ХХ века. – М., 1991. – С. 114.
1
173
разному. Если такое воздействие не превышает критических
значений, то оно не влияет на ход развития и система может
самовосстанавливаться до первоначальной формы. Если же
воздействие превышает критическую точку, то система либо
разрушается, либо попадает в область другой линии развития. То
есть процессы, происходящие в нелинейных системах, часто имеют
пороговый характер - при плавном изменении внешних условий
поведение системы изменяется скачком. В состояниях, далеких от
равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до
гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и
способствующих радикальному качественному изменению этой
структуры.
Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми,
сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких
условиях могут иногда создаваться отношения обратной
положительной связи между системой и её средой. Положительная
обратная связь означает, что система влияет на свою среду таким
образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые,
в свою очередь, обратно воздействуют на изменения в самой этой
системе. Примером может служить ситуация, когда в ходе
химической
реакции
или
какого-то
другого
процесса
вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует
производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия
открытой системы и её среды могут быть самыми неожиданными и
необычными.
Таким образом, нелинейная наука ведет к эволюционносинергетической
парадигме.
«В
синергетике
возникает
принципиально иная парадигма на базе таких новых областей
науки, как неравновесная термодинамика, теория хаоса,
нелинейный математический анализ, теории катастроф, теории
автопоэзиса и ряда других, формируются общие принципы
самоорганизации сложных нелинейных открытых динамических
систем независимо от их природы, конкретных составляющих и
области существования».1 «Синергетика выступает не только в
роли методологии междисциплинарного исследования нелинейных
процессов, но и как методология конструирования реальности».2
1
2
Микешина Л.А. Философия науки. – М.: Изд. дом Международного университета в Москве, 2006. – С. 37.
Указ. соч. – С. 370.
174
Принятие этой парадигмы, во-первых, означает отказ от
следующих основных принципов ньютоновской парадигмы науки:
от принципа лапласовской причинности, принципа абсолютно
достоверной истины и знания, от принципа редукционизма, от
концепции линейности, от принципа приобретения знания
исключительно на основе прошлого опыта. Во-вторых, принятие
следующих
синергетических
принципов
конструирования
современной научной картины мира: принцип становления,
принцип фрактальности, принцип темпоральности, принцип
дополнительности, принцип виртуальности будущего, принцип
сложности (усложнения структуры системы в процессе эволюции),
принцип когерентности.
Принятие этих принципов отвечает идее глобального
эволюционизма - всеединой, нелинейной, самоизменяющейся,
самоорганизующейся, саморегулирующейся системы, в недрах
которой возникают и исчезают целостности - от физических полей
и элементарных частиц до биосферы и более крупных систем. В это
понятие также входит идея нелинейности, способности оказывать
обратное воздействие, вариативности развития мира. Этот мир
состоит не из кирпичиков - элементарных частиц, а из
совокупности процессов - вихрей, волн, турбулентных движений.
Этот мир как бы «пузырится» бесконечно разнообразными
взаимодействующими открытыми системами с обратной связью.
Этот мир - уже не объект, а субъект.
3.3. Глобальный эволюционизм как основа и стратегия
формирования нелинейной физической картины мира и
нового типа научной рациональности
Идея эволюции - одна из тех немногих идей, которая, прежде
чем войти неотъемлемой частью в научно-философское сознание, в
острой полемике прошла через века.
Первоначально подход человека к природе носил явно
статистический характер: в греко-римской, как и в индо-иранской
античности, например, статистическое миропонимание лежало в
основе мировоззрения всей эпохи. Это подтверждается многими
примерами. Наглядным художественным воплощением такого
миропонимания служит греческая трагедия, особенностью которой
175
является регулярно повторяющаяся цикличность в действии:
каждое действие завершается регулярно повторяющимися
хоровыми пениями. На всем протяжении трагедии в характере
персонажей (при любом временном интервале) не наблюдается
никакой эволюции. За сугубо постановочной символикой
проглядывается вполне определенный способ миропонимания, о
чем свидетельствует сценическая трактовка характера героев.
Подобное же характерно и в отношении к познанию окружающего
мира. Фалес, один из известных представителей античной школы,
ввел понятие праматерии, которую образует единая субстанция,
лежащая в основе всего многообразия окружающего мира. И с этой
точки зрения все изменения, протекающие в физических явлениях,
- не более чем иллюзия.
Таким образом, можно однозначно утверждать, что основным
принципом древнегреческого миропонимания является отсутствие
в мировоззренческих установках представлений о необратимом
характере изменения вещей, то есть отсутствие идей эволюции в
представлениях о мире.
Восточное и европейское Средневековье не внесло ничего
принципиально нового в эту картину мироздания, хотя и оживило
ее рядом ярких, ранее неизвестных деталей. И лишь И. Канту
впервые удалось потрясти основания исторически сложившегося
научного мировоззрения, лишь ему удалось дерзкое теоретическое
обобщение, выходящее за пределы господствующей тогда научной
парадигмы. Блестящей иллюстрацией сказанного может служить
следующее высказывание И. Канта: «Мироздание с его
неизмеримым величием, с его сияющем отовсюду бесконечным
разнообразием и красотою приводит нас в безмолвное изумление.
Но если представление обо всём этом совершенстве поражает наше
воображение, то, с другой стороны, разум восторгается по-иному,
видя, сколько великолепия, сколько величия вытекает из одного
всеобщего закона согласно вечному и строгому порядку»1. Таким
всеобщим законом, по Канту, является принцип развития, с
помощью которого Кант пытался истолковать происхождение и
источник движения космических объектов.
В новое время доминирующим мировоззренческим ориентиром
выступила классическая картина мира, в которой поворот от
1
Кант И. Сочинения: В 6 т. Т. I. – М.: Мысль, 1963. – С. 201.
176
«бытия» к «становлению» все еще не был даже обозначен. Хотя
следует отметить, что явные признаки такой необходимости шаг за
шагом стали пробивать себе дорогу в различных отраслях
естествознания XVIII века: в биологии (Ламетри, Ламарк), в
философии (Лейбниц, Гегель), в геологии (Бюффон, Ломоносов), а
позднее (вторая половина XIX в.) и в физике (Клаузиус, Томсон,
Больцман).
К концу XIX столетия идеей эволюции была пронизана
практически вся научная картина мира. Суть поворота от «бытия» к
«становлению» связана с ревизией традиционного принципа
объективности (невозможность индивидуализации микрочастиц),
разрушением
привычной
дискретно-телесной
интуиции
реальности, пониманием неоднозначности онтологии вещности.
Данность объекта трансформируется в зависимости от процедурносемантической базы исследований и не постулируется apriori с
использованием процессуальных описаний (возникающих в лоне
динамических моделей обратных связей понятий взаимовлияния,
конструктивного самодействия, самоорганизации).
Особый импульс развитию эволюционных идей придал
Дарвин, который сформировал основные принципы эволюционной
теории. Двигателем органической эволюции, её формирующим
фактором в теории Дарвина оказывается среда, которая заставляет
живое эволюционировать через посредство «передаточного
механизма»
естественного
отбора
случайных
мутаций,
направленного на выживание наиболее адаптированных к среде
особей.
Позиция Дарвина получила неожиданное подкрепление в
физике и космологии. В первом случае речь идет о трактовке
энтропии как меры беспорядка и закона возрастания энтропии в
любой физически замкнутой системе. Экстраполяция этого закона
на систему всех физических систем (Вселенную) привела к
неоднозначному и небесспорному в мировоззренческом отношении
выводу о «тепловой смерти» Вселенной.
В космологии преобладающей была точка зрения, согласно
которой изменению подвержены лишь отдельные элементы
Космоса (планеты, звезды и их системы), но сама Вселенная как
единое целое статична, стационарна. Лишь открытия А.А.
Фридмана положили начало коренному пересмотру представлений
177
о Вселенной. Суть этих изменений связана с тем, что Вселенная как
единая система является эволюционирующейся. Последующие
исследования показали, что наша Вселенная действительно
является нестационарной эволюционизирующейся системой.
Доказательство эволюционного характера Вселенной положило
начало смене концептуального видения мира, изменению
парадигмы стиля научного мышления, научной картины мира.
Современное
научное
познание,
представленное
совокупностью различных научных дисциплин, например физикой,
где изучаются свойства явлений и процессов неорганической
формы материальной действительности на уровне макро- и микромира, астрофизикой, предметом которой являются свойства и
эволюция локальных астрономических объектов, космологией,
моделирующей
эволюцию
крупномасштабной
структуры
Вселенной, биологией, изучающей процессы развития и
функционирования живых объектов, и др., характеризуется
осознанием
целостности,
глобальности
своих
объектов
исследования и их взаимосвязанностью.
На основе обобщения эволюционных знаний, полученных в
различных областях естествознания, в аспекте изучения
интегративных явлений в науке стали говорить об идее
«глобального эволюционизма». Глобальный эволюционизм
выступает как концепция, подход, целью которого является
создание естественнонаучной модели универсальной эволюции,
выявление общих законов природного процесса, связывающего в
единое целое космогенез, геогенез и биогенез.
Одними из первых идеи глобального эволюционизма
появились и рассматривались в работах Р. Чемберса1 и Г.
Спенсера2. В XX столетии идеи глобальной эволюции нашли
развитие в работах Э. Янга3, А. Лима-де-Фарна4, Н.Н. Моисеева5 и
многих других авторов. В последнее время появились работы,
См.: Чемберс Р. Естественная история мироздания. 1863 (Анонимное издание).
См.: Спенсер Г. Основные начала // Спенсер Г. Соб. соч. - СПб., 1867. Т. 5.
3
См.: Jantsch E. The Seif-Organizing Universe; Scientific and Human Implications of Emerging Paradigm of
Evolution. - New York, 1980.
4
См.: Лима-де-Фарна. Эволюция без отбора. Автоэволюция формы и функции. – М., 1991.
5
См.: Моисеев Н.Н. Быть или не быть человечеству. – М., 1999.
1
2
178
анализирующие не только космологическую стадию глобальной
эволюции, но и органическую и социальную ее составляющую1.
В данном параграфе проводится теоретико-познавательной
анализ этой концепции и рассматривается её роль в создании новой
физической картины мира.
В начале необходимо остановиться на выяснении смысла
употребления термина «универсальная» по отношению к понятию
«эволюция». Понятие универсальности используют в двух
смысловых
значениях:
относительном
и
абсолютном.
Относительно универсальные понятия применимы ко всем
объектам, известным в данную историческую эпоху, абсолютно
универсальные применимы как ко всем известным объектам, так и
к любым объектам за пределами данного исторически
органического опыта. В этой связи возникает вопрос: на какой тип
универсальности
претендует
понятие
«глобальный
эволюционизм»?
Известно, что такие относительно универсальные понятия, как
качество,
количество,
пространство,
время,
движение,
взаимодействие и т. п. являются
результатом обобщения истинных теорий, относящихся как к
природе, так и
к обществу. Понятие «глобальный эволюционизм» имеет
аналогичное происхождение, являясь обобщением эволюционных знаний разных
областей естествознания: космологии, геологии, биологии. Таким
образом, можно утверждать, что понятие «эволюция», аналогично
изложенному выше, является универсальным. Все такие
относительно универсальные понятия безусловно содержат
абсолютно универсальную компоненту, и поэтому термин
«глобальный» в контексте понятия «эволюция» и указывает на
наличие такой компоненты.
В формировании концепции космологического эволюционизма
важнейшая роль принадлежит двум концептуальным схемам:
теории «Великого объединения» и суперсимметрии. Согласно этим
схемам вся природа, в конечном счете, подчинена действию некой
суперсилы, проявляющейся в различных «ипостасях». «Эта сила
См.: Хайтун С.Д. Феномен «избыточности» мозга, генома и других развитых органических и социальных
структур // Вопросы философии. 2003. № 3; Его же. Социальная эволюция «Джон Кейнс: от прошлого к
будущему» // Вопросы философии. 2003. № 10.
1
179
достаточно мощна, - пишет П. Девис, - чтобы создать нашу
Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей
структуру. Но суперсила - нечто большее, чем просто созидающее
начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие
слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое
единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал»1.
Начальное состояние Вселенной, определяемое суперсилой, вполне
могло быть предельно простым, но по мере быстрого расширения и
охлаждения
начала
вырисовываться
знакомая
структура
окружающего нас мира. «Можно сказать, что высоко
упорядоченная и тонко организованная Вселенная, которую мы
наблюдаем сегодня, образовалась в результате «отвердевания»
бесформенного однородного сгустка, рожденного «Большим
Взрывом»2.
В рамках инфляционных сценариев получены объяснения
причины «Большого Взрыва», основанного на действии суперсилы,
а также ответы на такие вопросы, как и почему он был столь
большим и почему принял такой характер. Переход Вселенной
буквально из ничего в физическую реальность произошел
самопроизвольно наподобие извержения. Такая возможность
связывается с тем, что «ничто не устойчиво» и что физическая
Вселенная спонтанно распустилась из ничего, управляемая лишь
законами физики. 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.
«Конкретизацией принципов материального единства мира и
развития является понимание эволюции Вселенной как процессов
самоорганизации и самодетерминации, заложенных еще на самых
фундаментальных уровнях материи (физический вакуум)»3.
Весь мир, таким образом, управляется единой верховной
суперсилой, которая представлена перед нами разными гранями.
Девис П. Суперсила. – М.: Мир, 1986. – С. 10-11.
Там же. – С. 13.
3
Мостепаненко А.М. Проблема существования в физике и космологии: мировоззренческие и
методологические аспекты. – Л.: Изд. Ленинградского университета, 1987. – С. 52.
1
2
180
Последние связаны между собой суперсимметричным образом, но
симметрия спонтанно нарушена на уровне наблюдения. Поэтому
спонтанное нарушение симметрии отражает характер глобальной
эволюции и по-новому решает вопрос о единстве физического
знания. Основание этого единства (спонтанное нарушение
исходной симметрии вакуума) лежит в смысловом содержании
глобального
эволюционизма.
Действительно,
механизм
«расщепления» суперсилы на известные типы физических
взаимодействий и особенности дальнейшей дивергенции
фундаментальных
взаимодействий
всецело
определяются
характером спонтанных нарушений суперсимметрии и симметрии
взаимодействий. Подводя итог, однозначно можно констатировать,
что принцип спонтанного нарушения симметрии отражает
процессы самоорганизации и системного самоусложнения, которые
задают направленность космологической «стрелы времени», а по
отношению к физическому знанию выступают как основа для
упорядочения и систематизации физического знания, как целевая и
нормативная установка познания.
Таким образом, без обращения к идее спонтанного нарушения
симметрии (важнейшей концепции современных вариантов
квантовой теории поля) оказывается в принципе невозможно
выявление глобальных механизмов самоорганизации материи и
«адаптации» принципа развития в отражении процессов неживой
природе. Нынешний же уровень понимания и описания этих
процессов говорит о существенной незавершенности процесса
создания единой глобальной картины мира. Однако уже сейчас в
этом плане можно сделать ряд важных выводов:
1. Эволюция физических форм материи есть единый,
целостный,
глобальный
процесс,
отражающий
способ
существования Вселенной. Причем характер эволюции материи в
существенных чертах отражается принципом спонтанного
нарушения симметрии.
2. Эволюция физической формы материи есть глобальный
процесс развития от простого к сложному, от низшего к высшему,
от симметрии к асимметрии, в результате которого происходит
усложнение структуры материи
и
характера связей и
взаимодействий между различными материальными системами,
181
дифференциация и увеличение качественного многообразия
физических объектов.
3. Само понимание эволюции Вселенной невозможно строить
лишь на основе физических теорий, экспериментальных
данных и астрономических наблюдений. «Необходимо, - пишут по
этому поводу В.И. Жог и В.Н. Князев, - осознание принципиальной
корреляции между теми
или
иными
фундаментальными
физическими идеями и общемировоззренческими позициями
(диалектика единства и множества, абсолютного и относительного,
объективного
и
субъективного
и
др.).
Под
этим
углом
зрения
происходят
изменения
процесса
формирования современной физической картины мира. Последняя,
стремясь к идеалу выявления объективной истины, должна
учитывать реальную сложность когнитивного, практического и
ценностного отношения субъекта к объекту сквозь призму
современных
условий»1.
Это
означало
не
только
начало нового подхода в изучении Вселенной, но и коренную
перестройку самих общих представлений о Вселенной. Если
прежние космологические построения призваны были описывать
главным образом наблюдаемую (стационарную) структуру
Вселенной, то в модели Фридмана (центральной) является идея
эволюции. Фридман при решении уравнений общей теории
относительности совершенно четко сформулировал начальные и
граничные условия, которые получили название основных
космологических
постулатов.
«Основные
космологические
постулаты (изотропность и однородность Вселенной), выдвинутые
вначале из соображений простоты и симметрии, оказались
настолько сильными предположениями, что из них следовали
многие основные черты эволюции Вселенной»2. Хотя это не
означало отсутствие всяких сил, обуславливающих эволюцию
Вселенной, но постулаты единообразия чрезвычайно сильно
сужают выбор геометрии Вселенной. В частности, наблюдаемая
Вселенная трехмерна, а трехмерное пространство может
соответствовать космологическим постулатам лишь в следующих
трех случаях: 1) если пространство характеризуется постоянной
отрицательной кривизной (пространство Лобачевского); 2) если
Жог В.И., Князев В.Н. Концепция супервзаимодействия и единство физического знания // Философские
науки. 1991. № 7. – С. 30.
2
Розенталь И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная. – М., 1987. – С. 97.
1
182
пространство имеет нулевую кривизну (пространство Евклида); 3)
если пространство определяется положительной кривизной
(пространство Римана). Хотя фридмановская космология
согласуется со всеми наблюдательными данными, но в рамках
анализа замкнутости и самосогласованности этой модели
возникают многие проблемы, среди которых наиболее
существенными являются две: проблема начальной сингулярности
и проблема горизонта.
Оказалось, что избавиться от сингулярности в рамках общей
теории относительности путем прямолинейного отказа от основных
космологических постулатов невозможно. Это показали Р.
Пенроуз1 и С. Хоукинг.2 Что же касается проблемы горизонта, то
она связана с тем, что в соответствии с теорией относительности
расширение Вселенной происходит медленнее, чем увеличение
размеров горизонта. Если в настоящем обе эти величины
совпадают, то это может означать только то, что Вселенная ранее
была разбита на множество причинно не связанных между собой
областей. Этот факт превращается в серьезную проблему, если его
сопоставить с поразительной изотропией Вселенной. Каким
образом различные части Вселенной (причинно не связанные
между собой) могли подстроиться друг к другу так, чтобы возникла
совершенная изотропия пространства?
Новый анализ возникших проблем начальной стадии эволюции
оказался возможным с возникновением новых представлений о
вакууме и реализацией в природе космологического решения де
Ситтера.
Идея глобальной эволюции, будучи примененной к
исследованию развития структуры Вселенной в целом, позволяет
сделать важные в методологическом отношении выводы.
Исходя из настоящего состояния Вселенной можно делать
оценки о прошлых ее состояниях и, наоборот, из этого прошлого выводить ныне наблюдаемые свойства и отношения. Основной
принцип этой методологии сводится к тому, что изучение любого
структурного уровня невозможно без учета всей предшествующей
истории развития Вселенной. Таким образом, представление о
фундаментальной структуре материи оказывается одним из
См.: Пенроуз Р. Структура пространства–времени. – М.: Мир, 1972. – 574 с.
См.: Хоукинг С. От «Большого Взрыва» до Черных дыр. Краткая история времени. – М.: Мир, 1990. – 167
с.
1
2
183
аспектов рассмотрения глобального эволюционного процесса, и
различные фундаментальные уровни структурной организации
материи уже рассматривались в контексте единого глобального
физического процесса. Более того, каждый из еще возможных
этажей в структуре материи должен быть соотнесен с
«исторически» определенным состоянием Вселенной в целом.
Возможность
рассмотрения
Вселенной
в
качестве
развивающегося, вернее саморазвивающегося во времени целого, в
контексте глобального эволюционизма приводит к необходимости
расширения понятия развития, которое традиционно понимается
как взаимодействие в любом природном явлении двух
противоположных тенденций: прогресса и регресса. Критерий
развития в этом случае определяется как усложнение структуры и
связей в процессе поступательного движения от низшего состояния
к высшему. Спонтанные процессы, изменяющие структуру всей
космической материи как целого, не укладываются в эти рамки, и
поэтому возникает необходимость выбора более универсального
критерия развития. В качестве такого критерия, на наш взгляд,
можно выдвинуть процессы спонтанного нарушения симметрии.
При таком допущении более развитым уровнем материи становится
уровень с низкой симметрией, а весь процесс глобального развития
можно представить как ряд последовательных нарушений исходной
симметрии в фиксированных узловых точках, в которых
происходят такие нарушения.
Выявленная
таким
образом
взаимосвязанность
и
детерминированность уровней материи тотальными свойствами
Вселенной как целого дает методологические ориентиры для
выработки новых подходов в построении физических теорий. В
них, с этой точки зрения, должны реализоваться некие
альтернативы к обычным представлениям о причинности, которые,
однако, не должны нарушать здание всей физики, основанное на
причинном представлении. «Последнее обстоятельство вызвано
тем, что лоренц-инвариантность как форма причинной связи верна
лишь в локальной области. Поэтому в таких подходах ставится
задача, чтобы в локальной физике была верна лоренц-
184
инвариантность, которая должна выступать реликтовым остатком
нарушения начальной симметрии мира»1.
Подобный подход является, по мнению некоторых
исследователей, «перспективным и многообещающим, хотя он
реализован только в случае механики»2, где, в частности, удалось
избавиться от представлений об инерции путем введения
потенциалов, зависящих от скоростей частиц. Сущность такой
безынерционной механики сводится к определению движения
частиц как движения относительно замкнутой системы частиц. В
качестве такой системы можно рассматривать нашу Метагалактику,
однородность
которой
в
этой
модели
обеспечивается
инвариантностью отдельных частиц и малых подсистем
относительно группы Галилея. Последняя является «ископаемым»
остатком более широкой инвариантности, включающей в себя
инвариантность относительно движений, протекающих ускоренно.
При этом «система частиц в целом может выполнять любые
движения, не влияя на внутреннее движение частиц, которое
определяется относительно системы в целом»3. Сущность нового
подхода к построению механики определяется именно этим. Само
нарушение
инвариантности
(телескопической)
связано
с
возникновением и эволюцией Вселенной. Такое нарушение
симметрии приводит к генерации инерциальных свойств и
инерциальных масс у частиц, и это фактически означает, что
глобальные условия, задающие структуру «мира в большом»,
определяют и многие локальные свойства, в последних
«спрессована» информация об основных этапах эволюции
Вселенной. В этом смысле проникновение в глубь материи
одновременно означает обращение ко всей предшествующей
истории развития Вселенной. Крайне важным в этих подходах
является обнаружение связей микро и мега- миров в построении
теории всей Вселенной. «Благодаря открытию Дирака, - пишет
В.Гейзенберг, - основным состоянием физики частиц стало уже не
ничто, а Космос. С этим обстоятельством, по нашему мнению,
связано решение проблемы единой теории элементарных частиц...
возможно, уже в близком будущем космология станет частью
Либшер Д.Э. Причинность в теории поля и космологии // Методологический анализ физического знания. –
Киев, 1985. – С. 214.
2
Тредер Ю. Относительность инерции. – М., 1975. – С. 128.
3
Либшер Л.Э. Указ. соч. – С. 213.
1
185
физики элементарных частиц, как несколько ранее на это надеялся
Эйнштейн в своей единой теории поля»1.
Несколько парадоксальным выражением такого единства
выступает концепция «космологического бутетрэпирования»,
которая в концептуальном отношении восходит к принципу Маха и
ныне развивается М.А. Марковым2. В этой концепции физически
реализуется идея диалектического тождества бесконечно малого
(элементарной частицы) и бесконечно большого (Вселенной) в
таких экзотических объектах, как фридмоны, которые
представляют собой элементарные электрически заряженные
«черные дыры». Если предсказание микроскопических «черных
дыр» является непосредственным следствием общей теории
относительности, то предсказание фридмонов представляет собой
гипотезу, выходящую далеко за рамки как общей теории
относительности, так и современной квантовой теории. Проверка
этой гипотезы составляет одну из самых фундаментальных
проблем квантовой теории гравитационного поля. И, тем не менее,
представление о том, что наша Вселенная является лишь одной из
большого множества многообразно различающихся по своим
свойствам вселенных, которые в одной перспективе выглядят
космически огромными, а в другой микроскопически малыми,
детерминировано идеей глобальной эволюции и имеет важное
методологическое и мировоззренческое значение.
Идея фридмонов, дополненная картиной «соседствующих»
миров со спонтанно нарушенной симметрией вакуума, по
существу, выступает как центральная и наиболее фундаментальная
в той мировоззренческой революции в астрономии (космологии,
если быть более точными), о которой так часто говорят в последнее
время. «Соседствующие миры могут быть совершенно различными
по своим геометрическим свойствам, они могут различаться
темпом течения времени, а возможно, в каком-то смысле, даже и
направлением времени. Пока у нас нет даже модельной картины
«переходных явлений» на стыках таких миров, и мы ничего не
знаем о свойствах «частиц-вселенных»... Однако можно заведомо
ожидать, что здесь мы встретимся с фундаментальными
1
2
Гейзенберг В. Космология, элементарные частицы, симметрия // Природа. 1969. № 12. – С. 80.
Марков М.А. О природе материи. – М., 1976. – С. 216.
186
изменениями многих основных представлений о свойствах
мироздания»1.
Идею о существовании параллельных симметричных
космических миров пытаются реализовать и в других моделях. К
ним относятся пятимерная Вселенная Бейли - Бонди, ветвящиеся
миры Эверетта, вселенные (метагалактики) в пространствах
переменной размерности, «сопряженные» миры (мир и антимир)
Наана, множество «замкнутых микровселенных», ансамбль миров,
вытекающий из антропологического принципа в космологии,
множество атомных миров, получаемых при интерпретации
расширенных
многолистных
пространственно-временных
многообразий, множество рожденных вселенных при фазовом
переходе первого рода вакуума, множественное рождение пузырей
на фоне пространства-времени де Ситтера. При всем различии
указанных моделей общим и определяющим методологическим
ориентиром при их построении является идея глобальной
эволюции.
Изучение ранних этапов эволюции Вселенной доказало, 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 она 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
1
Барашенков В.С. Существуют ли границы науки. – М., 1982. – С. 155.
187
превращением одной физической формы материи в другую, путем
спонтанного нарушения исходной симметрии вакуума. Кроме того,
в рамках квантово-полевой концепции глобальной 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 Вселенную в очень далеком
будущем. Сам же учет космологических аспектов квантово-полевой
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 новую
фундаментальную пардигму 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 бутстрепа. Идея
глобальной эволюции фактически лежит в основе такой физикоматематической рациональности, как «ничто - все сущее», согласно
которой единство Вселенной мыслится как единство материиэнергии. Происхождение Вселенной в этом случае может быть
рассмотрено в терминах необратимого возникновения материиэнергии, а существование мира в многообразии его форм и явлений
представляется фактором, гарантирующим необратимый характер
всех проявлений единства материи и энергии, спонтанное
нарушение симметрии, отражение 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
188
истинная диалектика. 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. Иначе говоря, симметрии несут в себе
важнейшую информацию о квантово-динамических законах
материи, господствующих как в мире элементарных частиц, так и в
мире космических объектов. Подводя итог вышесказанному, можно
отметить, что принципы симметрии и спонтанно нарушенной
симметрии в формировании и развитии моделей эволюции
Вселенной, в синтезе квантовой теории поля и космологии
выступают в качестве упорядочивающих, организующих,
структурообразующих и системообразующих принципов, которые
в
потоке
непрерывных
изменений
фиксируют
нечто
повторяющееся, регулярное и формируют вещь, предмет, явление,
выступая принципами роста, изменения и развития.
Выводы об эволюции Вселенной в значительной степени
зависят от принятой космологической картины мира, которая, в
общем, далека от своего завершения. «Поэтому, кроме
рассмотренной концепции эволюции Вселенной, в последнее время
выдвигаются и другие концепции, в которых делаются попытки
отказаться от слишком сильных гипотез, упрощая как бы
космологическую картину мира, не вступающие в противоречие с
данными наблюдения в пределах горизонта видимости». 1 К этим
сильным признакам, в частности,
причисляются: масштабы
Вселенной до «Большего Взрыва» (10-33 см), кипящий вакуум,
размещение метагалактик в элементарных частицах (Г.М. Идлис),
дополнительные пространственные или временные измерения (А.Д.
Линде, И.С. Шкловский и др.), мнимое время (С. Хоукинг). Такая
упрощенная, избавленная от многих спекулятивных гипотез
космологическая картина может быть получена из одной единственной гипотезы: Вселенная фрактальна. Оказывается, что
фрактальная размеренность всегда меньше топологической
размерности пространства, в котором они размещены. В силу этого
плотность фрактала, измеренная в «кубиках» топологической
1
Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Вопросы философии. 2004. № 10 . – С. 74-92.
189
размерности, равна нулю. Если фрактал размещен в обычном
трехмерном пространстве, то нулю равна его обычная трехмерная
плотность массы. Для этого фрактал и должен обладать особой
«всюду пустой» структурой, которая при проникновении в неё
«расступается» до бесконечности. В этом смысле Вселенная
представляет собой фрактал в самом строгом смысле слова и имеет
равную нулю «бесконечную» плотность массы, то есть плотность
любого её фрагмента при мысленном устремлении его объема к
бесконечности равна нулю. В этом и состоит гипотеза С.Д.
Хайтуна. Из этого, по его мнению, вытекают два следствия.
1. Вселенная не тождественна нашей Метагалактике и
представляет собой весь не ограниченный горизонтом видимости
материальный мир. Космические образования представляют
иерархию охватывающих друг друга компактных структур (звезда звездное скопление – галактика - скопление галактик и т. д.).
Наблюдаемый нами мир (радиуса 15 млрд. св. лет) также может
входить в последовательность таких охватывающих друг друга
компактных космических образований, наименьшее из которых,
еще содержащее внутри себя наш горизонт видимости, и следует
именовать нашей Метагалактикой. Между тем никаких
доказательств того, что расширяется вся Вселенная, не существует.
Напротив, если Вселенная фрактальна, то она в принципе не может
расширяться. Идея замкнутой Вселенной в корне ошибочна,
игнорирует её фрактальность. Незамкнутость Вселенной означает
её бесконечность. Любой конечный фрагмент Вселенной, из-за
конечности его массовой плотности, нестационарен, вся же
бесконечная Вселенная, имея нулевую плотность, стационарна в
том смысле, что все её фрагменты не могут одновременно
расширяться или сжиматься. Перенесенный со своей Вселенной на
нашу Метагалактику «Большей Взрыв» теряет свою загадочность:
почему бы ей было однажды и не взорваться, причем без участия
«ложного вакуума». Вытекающее из гипотезы о фрактальности
Вселенной простое её устройство упрощается и трактовкой
антропного принципа. Идея фрактальности Вселенной приводит к
несостоятельности вывода, вытекающего из концепции «ложного
вакуума», о том, что границы Вселенной в ходе её «раздувания»
расширились со скоростью, превышающей скорость света, отпадает
нужда в дополнительных пространственных и временных
190
измерениях, которые постулируются, чтобы сделать возможным
сосуществование в Супервселенной вселенных (метагалактик).
2. Наша Метагалактика является «черной дырой». Такой вывод
обосновывается тем, что наша Метагалактика является
макрооднородной, и отсутствием у неё центра расширения. По
мнению автора этой концепции, наша Метагалактика находится в
состоянии своего расширения за пределы сферы Шварцшильда.
Это служит причиной того, что наблюдаемая плотность
Метагалактики близка к критической, но все же меньше её. Именно
так может быть истолковано открытое недавно ускорение
разбегания галактик на больших расстояниях. Кроме того,
открытие космического ускорения утвердило исследователей в
реальности космического вакуума.
Из этого сказанного можно сделать следующие выводы:
1. Вся Вселенная находится за пределами горизонта
видимости, и поэтому у нас нет и быть не может данных,
которые позволили бы
конкретизировать представления о
характере эволюции всей Вселенной.
2. Фрактальность Вселенной может быть осмыслена как
следствие принципа минимакса1, и она (фрактальность)
обеспечивает существование
великого разнообразия форм
взаимодействий.
Более того, чем
больше разных форм
взаимодействий, тем более разнообразными и интенсивными
могут быть процессы превращения разных форм взаимодействий
друг в друга. При этом имеет место закономерность: чем более
фрактальна данная структура, тем более
фрактальная
размеренность отличается от топологической и более фрактальные
структуры эволюционируют более интенсивно. Вектор эволюции
направлен в сторону уменьшения размерности реальных
фрактальных структур, в ходе эволюции Вселенной её фрактальная
размеренность уменьшается. Таким образом, наша Метагалактика
эволюционирует с уменьшением фрактальной размерности в
сторону «наращивания метаболизмов и связности «всего со всем» с
образованием все новых структурных «этажей», ростом сложности
Принцип минимакса состоит в том, что в ходе эволюции максимализируется скорость процессов
превращения друг в друга разных форм взаимодействий (энергии), ведущих к последующей
интенсификации таких процессов, и минимизируется скорость процессов превращения друг в друга разных
форм взаимодействий (энергии), ведущих к дальнейшей интенсификации таких процессов (Хайтун С.Д.
Фундаментальная сущность эволюции // Вопросы философии. 2001. № 2.).
1
191
и разнообразия возникающих форм»1. Хотя современная теория не
может предсказать будущее Метагалактики, о её прошлом кое-что
известно. И то, что известно, позволяет утверждать, что эволюция
нашей Метагалактики направлена в сторону усложнения.
Смысл принципа универсального эволюционизма состоит в
том,
чтобы
представить
все
эволюционные процессы,
происходящие в мире, - от возникновения Вселенной, образования
вещества, звезд и галактик и до социокультурной динамики - как
целостный
процесс
самоорганизации
всего
сущего,
подчиняющийся общим фундаментальным закономерностям и
развивающийся в целостном многомерном онтологическом
пространстве.
На основе идей универсального эволюционизма в настоящее
время ведутся разработки программы универсальной истории. Есть
основания предполагать, что фундаментальным фактором, который
определяет онтологическое единство всех эволюционных
процессов, развивающихся на разных уровнях реальности,
являются
нелокальные
и
атемпоральные
семантические
протоструктуры квантового вакуума. В роли переносчика
антиэнтропийных семантических импульсов, поступающих из этих
протоструктур ко всем эволюционирующим объектам живой и
неживой природы, выступает торсионное поле. Можно, таким
образом,
говорить
о
существовании
универсальной
космологической
эволюционной
триады:
«семантические
проструктуры квантового вакуума - поля кручения пространства процессоры эволюционирующих объектов». Один из принципов
универсального эволюционизма и программы постулата: в мире
ничего не происходит, кроме кручения пространства и изменения
его кривизны.
возможность появления человека разумного. Уже на уровне
существующих знаний мы можем уверенно утверждать, что факт
самоорганизации вакуумных подсистем установлен. Роль этого
факта в создании условий для возникновения жизни
прослеживается явно, однако природу этой самоорганизации мы,
конечно, пока установить не можем. Это станет возможным только
в полной теории вакуума, которая будет оперировать полным
набором полей, например на уровне суперструн. Эти задачи и будут
1
Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Вопросы философии. 2004. № 10. – С. 89.
192
стоять перед фундаментальной физикой в XXI веке. Однако уже
сегодня есть понимание того, что вакуум - очень сложная система с
многочисленными
функциональными
связями,
причем
количественные характеристики подсистем и функциональных
связей зажаты в очень узких рамках, что возможно в режиме
самоорганизации. Именно режим самоорганизации такой сложной
системы, как физический вакуум, обеспечивает существование
такой сложной, эволюционирующей биологической системы, как
человек.
193
4. КОНЦЕПЦИЯ ВАКУУМА В КАРТИНЕ МИРА
СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
4.1. Становление парадигмы физического вакуума в
структуре cовременной физической картины мира
Природой вакуума ученые интересовались с древнейших
времен, и представления о нем менялись исторически. В
античности, согласно Демокриту и Эпикуру, движение было
невозможно без абсолютной пустоты. Они утверждали, что пустое
пространство и материя - два единственных начала мироздания.1
Пустое пространство имеет определенное место, если оно
окружено материей. Но и материя имеет определенное место, если
она ограничена пустотой. Миры возникают из атомов, несущихся в
«великой пустоте». Проблема пустоты в XVI - XVIII вв. переросла
в проблему непрерывности в строении материи. Идеи
непрерывности в строении материи широко пропагандировал
французский ученый Рене Декарт 2. Он отрицал существование
пустого пространства, для него основной атрибут материи протяженность и пространство - не что иное как само физическое
тело, рассматриваемое с точки зрения его протяженности.
Поскольку
протяженные
тела
непрерывно
заполняют
пространство, то нигде не остается пустых промежутков.
Картезианская физика считает, что все мировое пространство
непрерывно заполнено особым веществом - эфиром, находящимся
в состоянии постоянного вихреобразного движения.
Проблема пустоты к XIX веку переросла в проблему
светоносного эфира. Постановка проблемы эфира была
инициирована
экспериментальным
обнаружением
электромагнитных волн, и этот факт требовал теоретической
интерпретации. Сама гипотеза об эфире стояла на двух «китах»:
один из них - остатки механистического мировоззрения, второй -
1
2
См.: Михайлова Э.Н., Чанышев А.Н. Ионийская философия, - М.: Изд-во МГУ, 1966. – С. 181.
См.: Декарт Р. Избранные произведения. – М.: Госкомиздат, 1950. – С. 712.
194
интуитивное неприятие материалистами идеи первоначальной
пустоты.
В результате синтеза двух вышеуказанных факторов эфир стал
мыслиться как непрерывная механическая среда, заполняющая все
пространство; возмущения этой среды и рассматривались как
электромагнитное поле. Прямым следствием механических
представлений об эфире был тезис о существовании выделенной
системы отсчета, относительно которой мировой эфир покоится.
Эксперимент (опыт Майкельсона - Морли) не подтвердил это
предположение, что и привело к крушению концепции эфира. В
том виде, который приобрела эта концепция в конце 19-го века,
она уже никогда не возродится, поскольку была отвергнута
экспериментально. Но с отказом от абсолютной среды – эфира –
физика
вернулась
к
понятию
абсолютной
пустоты.
Правда, после формулировки Альбертом Эйнштейном
специальной теории относительности абсолютно
пустое
многообразие, "сцена", на которой развивались физические
события, уже не представляла собой трехмерное пространство +
одномерное время, ее сменил новый объект - непрерывный 4мерный континуум, единое пространство-время. Электромагнитные
волны теперь рассматривались как поле, заданное на этом
многообразии. В теории появилось принципиально немеханическое
понятие «поле».
Отнюдь не сразу стало понятно, что представляет собой поле
как физический объект. Первоначальная его интерпретация была
чисто феноменологической. Утверждалось, что поле является
особой, делокализованной («размазанной» в пространстве-времени)
формой существования материи.
Материальность поля
проявляется в том, что оно способно обмениваться энергией и
импульсом с другой, более привычной, локализованной формой
материи - частицами, занимающими определенное место в
пространстве в каждый момент времени. Сегодня мы понимаем,
что подобная интерпретация поля очень упрощена и
соответствует лишь самому первому этапу его изучения как
физического объекта. Альберт Эйнштейн выдвинул ключевую
идею, суть которой в том, что поле, заданное на пространственновременном
многообразии,
в
действительности
является
характеристикой самого пространства-времени, т. е. поле
195
представляет собой не внешний по отношению к пространствувремени объект, а его внутреннее свойство. Иными словами, поле
задает топологию и геометрию пространства-времени. Впервые
эта идея была воплощена Эйнштейном в теории гравитации, где
было показано, что гравитационное поле есть мера
искривленности пространства-времени, а все физические
(негравитационные) поля участвуют в процессе его искривления
и в реакции на это искривление.
На этом этапе теоретические представления о природе
гравитационного взаимодействия были сформулированы в
терминах искажения геометрии пространства-времени в виде
деформаций
пространства-времени
одними
квантами
материальных полей и реакций на эти деформации других квантов
полей материи. Гравитационное взаимодействие присуще всем
физическим полям, то есть оно универсально. Однако с
электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями
связаны не искривления 4-мерного пространственно-временного
континуума, а искажения геометрии другого типа, а именно расслоения пространства-времени. Причем этим трем типам
взаимодействий соответствуют различные типы расслоений.
На нынешнем уровне теоретических и экспериментальных
знаний о микромире можно утверждать, что физический вакуум
имеет сложное устройство, определяемое слоистой структурой
пространства-времени.
Элементы
же
материи,
частицы,
рассматриваются как возбуждение вакуума. Сами по себе
вакуумные флуктуации нестабильны, однако могут быть
стабилизированы
при
взаимодействии
с
кварковыми
конфигурациями. Именно так образуются реальные барионы и
мезоны. Все это означает, что вакуум теперь можно считать
системой, порождающей материю.
В принципе, состояние наших знаний, основанное на
разделении фундаментальных объектов физики на два типа – поле
материи и силовые поля, переносящие взаимодействия, вызывает
некое неудовлетворение. Хотелось бы иметь последовательную
геометрическую интерпретацию не только силовых полей, но и
полей вещества, вложенных, как это представляется сегодня, в
расслоенное пространство-время. Впервые эту программу
геометризации физики сформулировал А. Эйнштейн. В рамках
196
геометрической теории должен использоваться единый подход к
описанию частиц и взаимодействий, т. е. материальных и силовых
показателей. Оба типа полей в такой теории рассматриваются как
характеристики геометрии пространства-времени. Реализация
программы
полной унификации частиц и взаимодействий
потребовала существенных изменений наших представлений о
геометрии пространства-времени. Из самой постановки задачи
следует, что в унифицированной теории геометрические
пространства-времена должны описываться не только в терминах
векторных полей, аналогичных электромагнитному и глюонному,
но и в терминах так называемых спинорных полей, кванты которых
удовлетворяют принципу Паули. Эта задача, в принципе, решена.
Пространство-время, геометрия которого определяется векторными
и спинорными полями, получило название суперпространства, а
симметрия, объединяющая различные типы полей в единое
суперполе, названа суперсимметрией.
Возникновение квантовой теории коренным образом изменило
представление о вакууме. Квантовая теория поля является ядром
всей современной физики, представляет собой общий подход ко
всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших
результатов ее является представление о вакууме, но уже не
пустом,
а
насыщенном
всевозможными
флуктуациями
всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля
определяется
как
наинизшее
энергетическое
состояние
квантованного поля, энергия которого равна нулю только в
среднем. Так что вакуум - это «нечто» по имени «ничто».
По представлениям современной науки, реальный (физический)
вакуум -это не пустота или «отсутствие всякого присутствия».
Отказ от представлений о вакууме как о пустоте является
концептуальной парадигмой современной физики. «Но если
выясняется, что господствует не эта часть Вселенной, а пока
неизвестная науке субстанция невещественной природы, предстоит
капитально
пересмотреть
сегодняшние
космологические
представления о нашем мире, что приведет к изменению
космологической парадигмы, утвердившейся на основании
открытой в первой четверти ХХ в.».1
1
Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии // Вопросы философии. 2004. № 12. - С. 108.
197
В настоящее время установленным экспериментальным фактом
можно считать утверждение о том, что вакуум - среда с очень
сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции
Вселенной и которую можно перестраивать путем изменений
состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно путем концентрации энергии в малых областях пространства.
Такая концентрация энергии изменяет не только ситуацию в
системе частиц, но и саму структуру пространства. Это
утверждение отражает тот факт, что вакуум является
характеристикой самого пространства-времени.
Если частица наблюдается в течение времени  t, то, согласно
квантовой механике, о ее энергии можно говорить лишь с
точностью   , удовлетворяющей условию    t > ћ. Это условие
и называется соотношением неопределенностей между энергией и
временем. Если время  t достаточно мало, то в вакууме на
короткое время могут рождаться электрон-позитронные пары. Для
этого неопределенность энергии   должна быть не меньше
собственной энергии электрон-позитронной пары, т. е. 2 mc 2.
Таким образом, любой «точечный заряд» как бы окружен областью
«виртуальных»
электрон-позитронных
пар
(«поляризация
вакуума»). Это означает, что классическая картина «точечного
заряда» на таких расстояниях уже неприменима.
Вакуум представляет собой сложный физический объект, в
котором непрерывно происходит рождение и уничтожение
виртуальных частиц (материализованных порций энергии). Вакуум
является динамической системой, обладающей некоторой энергией,
которая все время перераспределяется между виртуальными
(воображаемыми) частицами. Представление о вакууме как о
непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц,
как отмечалось выше, вытекает из принципа неопределенности
Гейзенберга. Согласно этому принципу, квантовые эффекты могут
на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого
времени  t энергия, взятая как бы «взаймы», может
расходоваться
на
рождение
короткоживущих
частиц,
исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть
виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова
возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не
198
пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же
гасящихся всплесков энергии.
Такие
всплески
назвали
виртуальными
частицами.
Индивидуально они никак не проявляют себя, но как системный
ансамбль вполне заметно влияют на различные свойства материи
(магнитный момент электрона, спектральные характеристики
атомов и др.). Квантовый вакуум отличается от «ничего» тем, что
имеет универсальные постоянные, которые могут служить
аналогом всеединства, которое называлось в философии Гегеля
Абсолютной идеей («мир идей») и «пустотой» у буддистов. По
современным представлениям «вся» Вселенная должна была
помещаться в объеме VП=10-99 см3, можно считать, что
пространство в ранней Вселенной фактически отсутствовало.1
Таким образом, этот вакуумный виртуальный «туман» совершенно реальный феномен. Внешние воздействия меняют
характер вакуумных флуктуаций, и сами могут меняться под их
влиянием. Например, в лэмбовском сдвиге спектральных линий
атомов, эффектах Хоукинга и Казимира.2 В 1947 году было
установлено расщепление уровней энергии атомов водорода под
действием флуктуации вакуума. Это явление, известное как
расщепление Лэмба - Резерфорда, вызвано рождением и
аннигиляцией в вакууме виртуальных электрон-позитронных пар
(поляризация вакуума).
Экспериментально факт существования этой вакуумной
подсистемы был обнаружен при измерении Лэмбом и Резерфордом
сдвига
энергетических уровней в спектре атома водорода
(обусловленного взаимодействием с нулевыми колебаниями),
детально эта подсистема была исследована при измерении
аномальных магнитных моментов электронов и мюонов. После
этого открытия стало ясно, что физический вакуум уже не является
«абсолютным ничто», пустотой, а представляет собой систему
нулевых колебаний квантованных полей. Частицы движутся не в
пустоте, а над неким «фоном», в котором непрестанно возникают и
гаснут полевые флуктуации. При этом сами свойства частиц
определяются их взаимодействием с этим фоном – физическим
См.: Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный процесс // Вопросы философии. 2008.
№ 5. – С. 78.
2
См.: Верешков Г.М., Минасян Л.А., Саченко В.П. Физический вакуум как исходная абстракция //
Философские науки. 1990. № 7. - С. 20-29.
1
199
вакуумом. Это приводит к искажениям кулоновского потенциала
ядра и эффективного воздействия ядра на электрон.
Второе явление известно как эффект Хоукинга и относится к
излучению
«черных
дыр».1
Под
действием
мощного
гравитационного поля этих звезд деформируются квантовые
флуктуации вакуума вокруг них и вызывают излучение с их
поверхности. Таким образом, «черные дыры» постепенно
испаряются за счет такого излучения. Поскольку гравитационное
поле эквивалентно ускоренной системе отсчета, то аналогичное
излучение будет регистрировать ускоренно движущийся
наблюдатель (эффект Унру). Значит, вакуум следует понимать как
поле в одном из его состояний, то есть как некоторую
материальную систему. В вакуумном состоянии электромагнитное
поле представляет собой море виртуальных пар частиц,
рождающихся с энергией  Е
и
живущих согласно
соотношению неопределенностей Гейзенберга в течение времени
 t.
Релятивистская квантовая теория поля, которая началась
работами П. Дирака, В. Паули, В. Гейзенберга в конце двадцатых
годов нашего столетия, была продолжена в трудах Р. Фейнмана,
С. Томонаги, Дж. Швингера и других ученых, давая все более
полное представление о физической неразложимости мира, о
несведении его к отдельным элементам. Здесь принцип
целостности находит свое выражение в рассмотрении
взаимодействия микрообъектов с определенным состоянием
физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все
элементарные частицы обнаруживают свои свойства. Вакуум
рассматривается как объект физического мира, выражающий как
раз момент его физической неразложимости.2
В квантовой электродинамике при изучении свойств вакуума в
качестве лакмусовой бумажки обычно используют зависимость от
расстояния
электрического
потенциала,
создаваемого
неподвижным зарядом. В пустом пространстве потенциал
описывается хорошо известным законом Кулона. Квантовый
вакуум обладает слабыми диэлектрическими свойствами и в
1
См.: Шипов Г.И. Теория физического вакуума – М.: Наука, 1997. – 238 с.
См.: Гриб А.А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. - М.: Наука, 1978. – С.
295.
2
200
небольшой степени изменяет этот закон. Количественно это
изменение определяется постоянной тонкой структуры:  = е 2 / (
 c)  1/ 137,036. Изменение кулоновского потенциала происходит
за счет того, что фотон, испущенный пробным зарядом, может
превратиться в виртуальную электрон-позитронную пару, которая
образует
эффективный
диполь,
производящий
эффект
экранировки. Этот процесс включает два элементарных акта
взаимодействия, и потому его вклад содержит малый множитель 
. Таким образом, исходный заряд оказывается окруженным морем
виртуальных диполей, что приводит к зависимости заряда Q и
создаваемого им потенциала от R.
При наличии внешнего источника энергии можно
реализовать возбужденные состояния полей - тогда в вакууме
будут наблюдаться и обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум
поляризуется внешним полем, и поле может порождать из
вакуума пары различных частиц, причем легче всего рождаются
самые легкие, т. е. электрон-позитронные пары. Такие пары
интенсивно порождаются в поле с напряженностью Е 0  10 16
В/см. Пары достаточно быстро, хотя и не в катастрофическом
темпе, могут рождаться и в более слабых полях. Поэтому
достижение полей, например с Е0  10 14 В/см, уже позволило бы,
вероятно, наблюдать рождение пар в вакууме.
Вакуум поляризуется не только сильным электрическим
полем, но и магнитным полем, причем характерное значение
напряженности магнитного поля Н 0 такое же, как и для
электрического поля Е 0 . В магнитном поле с напряженностью
более Н0 вакуум ведет себя подобно нелинейной анизотропной
среде и сильно влияет на распространение электромагнитных
волн.
Имеются различные подходы ученых для объяснения природы
вакуума. Рассмотрим некоторые из них.
Вакуум Эйнштейна. Многолетними поисками А. Эйнштейн
после дискуссии с немецким математиком Д. Гильбертом находит
в 1915 году знаменитые уравнения Эйнштейна, которые описывают
гравитационные поля через кривизну пространства событий.
Согласно этим уравнениям, массивное тело искривляет
пространство-время вокруг себя. В его теории имеется две
реальности: пространство-время и материя. Материя выступает на
201
фоне пространства-времени, искривляя его. Если материю убрать,
то пространство становится плоским (псевдоевклидовым). Таким
образом, пространство-время наделяется упругими свойствами,
которые проявляются через искривление его геометрии.
Картина
мира,
соответствующая
общей
теории
относительности, содержит всего две автономные реальности вещество и поле. Законы тяготения - это структурные законы,
описывающие гравитационное поле между материальными
объектами. Между материей и полем в общей теории
относительности нет качественного различия: вещество находится
там, где концентрация поля максимальна, поле - там, где она мала.
Эйнштейн полагал, что в перспективе всю теорию удастся свести к
единственной реальности - полю. Представим себе область
трехмерного
пространства,
заполненного
прозрачной
однородной резиной. Пропуская луч света по различным
направлениям внутри резины, мы увидим, что он распространяется
всегда по прямой линии. Это модель плоского пространства или
«абсолютного вакуума». Поместим внутрь резины шарик из
какого-либо твердого материала. В результате вблизи
поверхности шарика возникнут неоднородности из-за вытеснения
шариком части объема резины. Если теперь пропустить луч света
вблизи поверхности шарика, то он будет распространяться по
некоторой кривой из-за неоднородной плотности вблизи
поверхности. В данном случае неоднородный кусок прозрачной
резины
моделирует
искривленное
пространство
или
возбужденный вакуум.
Можно теперь утверждать, что, согласно теории Эйнштейна,
физический вакуум - это пустое (без материи) пространство-время,
обладающее упругими свойствами. Эти свойства проявляются
тогда, когда в пустое пространство помещается некая масса. Более
того, в теории имеются так называемые вакуумные уравнения
Эйнштейна, которые описывают гравитационные поля вне
материи, т. е. в чистом виде упругие свойства пустого
пространства-времени. Вакуумные уравнения Эйнштейна являются
чисто геометрическими и не содержат никаких физических
констант. Так и должно быть, поскольку вакуум не может
характеризоваться чем-либо конкретным. Если вакуум наделить
202
какими-нибудь конкретными физическими константами, то это
будет уже что-то рожденное из вакуума.
Вакуум Дирака. В 1928 г. английский физик П. Дирак,
рассматривая уравнение Шрёдингера, обратил внимание на его
нерелятивистский характер.1 При этом квантовая механика
описывает объекты микромира, и хотя к 1928 г. их было известно
только три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был
экспериментально обнаружен только в 1932 г.), было ясно, что
движутся они со скоростями, весьма близкими к скорости света или
равными ей, и более адекватное описание их поведения требует
применения специальной теории относительности. Дирак составил
уравнение, которое описывало движение электрона с учетом
законов квантовой механики и теории относительности Эйнштейна,
и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли
два решения: одно решение давало известный электрон с
положительной энергией, другое - неизвестный электрон-двойник,
но с отрицательной энергией. Так возникло представление о
частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и
антимирах. К этому же времени была разработана квантовая
электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле более не
рассматривается как континуалистская непрерывная среда. Дирак
применил к теории электромагнитного поля правила
квантования, в результате чего получил дискретные значения
поля.
Обнаружение античастиц углубило представление о поле.
Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого
поля - фотонов. Следовательно, в этой области пространства
должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности
«изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка
зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум - вот вопрос,
который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо
известны эффекты, доказывающие, что вакуум пуст только в
среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное
количество виртуальных частиц и античастиц. Даже если мы
1
См.: Дирак П.А. Принципы квантовой механики – М., 1979. – С. 275.
203
измеряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд
электрона равняется бесконечности. Мы же измеряем заряд
электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.
Ничто, пустота, из которой родились Вселенная, - это не тот
вакуум, который в 1644 г. был открыт учениками Галилея Э.
Торричелли и В. Вивиани. Это был совсем другой пласт реальности
- физический, или квантовый, вакуум, открытый в 1928 г. П.А. М.
Дираком. Ему удалось обобщить уравнения квантовой механики на
случай скоростей, близких к скорости света. Из его теории
следовало, что электрон, как и все остальные элементарные
частицы, может обладать не только положительной, но и
отрицательной энергией. Понять физический смысл этого
предсказания теории было непросто. Чтобы разобраться в этом
вопросе, Дирак воспользовался тем обстоятельством, что помимо
массы и заряда электрон обладает и третьей столь же
фундаментальной характеристикой - спином. Спин, что поанглийски означает «кручение», «волчок», - это квантовое число,
равное собственному моменту количества движения частицы.
Для электрона спин может иметь только одно из двух
значений: S =  1/2 .
Для подобных частиц с полуцелым спином известен принцип
запрета, сформулированный В. Паули: в квантовой системе на
одном энергетическом уровне могут находиться лишь две частицы
с противоположно направленными спинами. Дирак воспользовался
этим правилом и предположил, что в области отрицательной
энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на них
электроны представляют собой квантовый вакуум. Этот феномен
получил название «вакуумного моря» Дирака. Однако если на это
«море» направить мощный импульс гамма-излучения, то
получивший его электрон приобретет положительную энергию и
перейдет в реальный мир. В «море» остается «дырка», во всем
похожая на электрон, только заряд у нее будет
положительным - это следствие закона сохранения заряда.
Уравнения, которые открыл Дирак, показывают, что в
природе существуют частицы с положительной энергией электроны и античастицы -позитроны, энергия которых
отрицательна. Они рождаются парами электрон-позитрон из
физического вакуума. Сам же вакуум представляет собой
204
некоторое латентное (скрытое) состояние электронов и позитронов.
В 1932 г. К. Андерсон, исследуя космические лучи, обнаружил
позитрон. Андерсон получил за свое открытие Нобелевскую
премию, а Дирак - подтверждение своей теории о квантовом
вакууме.
Таким образом, вакуум, согласно Дираку, - это среда с
бесконечно большим отрицательным зарядом и отрицательной
энергией, где все уровни с отрицательной энергией полностью
заполнены электронами, ауровни с положительными энергиями
остаются свободными. Заполнение энергетического уровня с
положительной
энергией
воспринимается
как
появление электрона, а освобождение уровня с отрицательной
энергией как появление античастицы, т. е. позитрона. Массы
электрона и позитрона одинаковые, а заряды противоположные.
Фотон с энергией Е > 2 mc 2 способен в о з б у д и т ь в а к у у м и
выбить
из
него
реальный
электрон
с
положительной энергией. Это соответствует рождению пары
частица - античастица. Переход электрона из состояния, где
энергия положительная, в состояние с отрицательной энергией
соответствует аннигиляции пары, т. е. исчезновению электрона и
позитрона и появлению, или рождению, фотона.
Вспомним еще раз об эфире и заметим, что сейчас физика
вновь использует в своем обиходе одно из свойств,
приписываемых эфиру, - представление о том, что пустоты как
таковой в природе не существует. Пространство, свободное от
материи, способной к макроскопическим перемещениям, тем не
менее, пустотой не является. Теперь в качестве такой все
заполняющей и все порождающей среды мы принимаем спонтанно
(самопроизвольно)
деформируемые
вакуумные
структуры.
Любопытно в этой связи отметить, что уравнения фундаментальной
физики, не дополненные процедурой квантования движений,
формально математически содержат решения, которые, с
точностью до нулевых колебаний, можно было бы сопоставить с
абсолютной пустотой. Однако это решение неустойчиво, т. е. мир
не может существовать в таком режиме, когда отдельные его
области по своим свойствам близки к абсолютной пустоте. Если
же в уравнениях учесть принцип квантования движений
микрообъектов, оказывается, что уравнения просто не имеют
205
решений, соответствующих абсолютной пустоте. Спонтанная
деформация геометрических структур - неизбежное следствие
экспериментально
проверенных
фундаментальных
законов
природы.
Наиболее интригующим следствием этих исследований
является вывод о том, что физический вакуум представляет собой
не пустоту с некоторыми фиксированными неизменными
свойствами, а сложную, целостную, иерархическую систему,
способную к динамической эволюции. Проведенные к
настоящему времени исследования физической природы
вакуумных подсистем показывают, что само их существование и
внутренняя
структура
обусловлены
спонтанными
деформациями геометрических характеристик искривленного и
расслоенного пространства-времени. Фундаментальная физическая
теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных
взаимодействий кварков и лептонов, воплощающая новейшие
представления о вакууме и элементарных частицах в строгой
математической форме, является общепризнанным достижением
естествознания 20-го века. Впервые в истории науки мы имеем
теорию,
объясняющую
большинство
известных
экспериментальных фактов в физике микромира, полученных на
ускорителях элементарных частиц. Парадокс, однако, состоит в
том, что внутренняя логика Стандартной Модели сама неизбежно
указывает на собственную неполноту, на существование еще более
общей теории, основанной на еще более глубоких представлениях
о физическом вакууме как о сложно структурированной
динамической системе. «При этом физический вакуум является
базовым состоянием материи в нашем мире, он служил
первоисточником в процессах, приведших к возникновению
Вселенной, и он же определял последующие преобразования
вещества в ходе развития, наделяя частицы не только массой, но и
способностью к определенным взаимодействиям между собой.
Наука выделяет несколько уровней в иерархии нашего мира. Это
Микромир, Макромир (зона нашего существования) и Мегамир, т.
е. Вселенная и, возможно, не только она. Каждый последующий
уровень иерархии опирается на нижележащие уровни. К этой
иерархии уровней снизу следует добавить еще один
основополагающий уровень, который назван физическим
206
вакуумом. Пока что научные знания о природе вакуума далеки от
полноты. Известно, что вакуум может существовать в нескольких
своих модификациях, различающихся, прежде всего, содержанием
плотности энергии в очень широком интервале величин. Между
модификациями, в зависимости от условий существования,
возможны фазовые переходы». 1
Поиски законов динамической эволюции вакуума приводят к
формированию и становлению теоретических парадигм, имеющих
не только общенаучный, но и ярко выраженный философский
характер.
Основаниями
для
этого
прогноза
являются
многочисленные теоретические и экспериментальные указания на
то, что физический вакуум как сложная система обладает, по
крайней
мере,
свойством
самоорганизации.
Результаты
современной физики и космологии показывают, что физический
вакуум способен так реагировать на изменения 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. Не исключено, что понятие самоорганизации как
характеристики эволюционного процесса в действительности
является недостаточным для описания сложнейших явлений,
происходящих во Вселенной.
Во-первых, очевидно различие между основными объектами
исследований физики 20-го и 21-го веков. В 20-м веке задача
состояла в изучении структуры вещества, существующего и
эволюционирующего в пространстве-времени с фиксированной
геометрией на фоне «пустоты» (вакуума) с простыми заданными
свойствами. Приоритетом же фундаментальной физики 21-го века
будет изучение динамических законов структуры самого
физического вакуума.
Во-вторых, даже имеющиеся знания о физическом вакууме
позволяют предположить, что как объект исследований физический
вакуум по своей сложности и многообразию свойств может не
уступать субъекту исследований - человеку.
1
Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии // Вопросы философии. 2004. № 12. - С. 105.
207
Таким образом, в среднем физический вакуум не имеет ни
массы, ни заряда, ни каких-либо других физических характеристик.
Однако в малых пространственных областях вакуума (порядка 10 –
33
см) значения физических характеристик могут стать отличными
от нуля - на малых расстояниях вакуум спонтанно флуктуирует. В
вакууме постоянно происходят процессы рождения и уничтожения
частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, в малых
пространственно-временных областях вакуум похож на «кипящий
бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой
теории возникло представление о физическом вакууме как о
«квантовой жидкости», находящейся в вечном движении. Такая
жидкость описывается уравнениями квантовой гидродинамики и,
естественно, обладает упругими свойствами. «Важнейшей
характеристикой физической системы является уравнение
состояния, связывающее давление Р и плотность энергии, - Е = f
(Р). В обычных системах обе эти величины положительны, и с
возрастанием энергии давление увеличивается. Это означает, что
система старается вытолкнуть из занимаемого объема новые
частицы.
Вакуум
же
характеризуется отрицательным
давлением и необычным состоянием Е = f (-Р), виртуальные
частицы, составляющие вакуум, стараются втянуть в него другие
частицы, увеличивая тем самым плотность энергии. Если бы в
вакууме не действовали внутренние силы, то он либо поглотил бы
все реальные частицы, так что в мире не было бы другого
состояния, кроме вакуумного, или распался бы. Однако между
частицами, составляющими вакуум, как полагают, существует
взаимодействие, создающее значительный потенциальный барьер,
который разделяет реальный и виртуальный миры.1
Рассмотрим энергетические свойства квантового вакуума. Из
соотношения неопределенности и закона сохранения массыэнергии
можно
рассчитать
промежуток
времени,
–21
соответствующий массе электрона:  t=10
с. Смысл этих
расчетов, с точки зрения классической механики, кажется
безумным: в течение столь малых промежутков времени энергия
вакуума испытывает достаточно большие колебания, чтобы за
1
См.: Зуллиев А.М., Пацхверова Л.С. Физическая картина мира. – Махачкала, 2006. – С. 210.
208
это время из него рождались электроны и все прочие
элементарные частицы.
Эксперименты по рождению частиц из физического вакуума
показывают, что их массы, заряды, спины или какие-либо
другие физические характеристики относительны, появляются и
исчезают в процессах рождения из вакуума или ухода в вакуум. В
теории физического вакуума эти характеристики определяются
через риманову кривизну пространства. Имеется гипотеза о том,
что
пространство-время
может
иметь
внутреннюю
дискретную микроскопическую структуру, поля расслоений,
описывающие дефекты в этой структуре. Эти структуры задают
состояние физического вакуума. Их называют вакуумными
конденсатами. На нынешнем уровне знаний о природе можно
сказать определенно - свойства материи целиком определяются
свойствами этих вакуумных структур. Именно поэтому изучение
физики вакуума и представляется приоритетной задачей физики
XXI в.
Сегодня можно утверждать, что, во-первых, формирование
конкретных свойств элементарных частиц и их взаимодействий,
например
протона,
нейтрона,
электрона
и
нейтрино,
предопределяется состоянием различных вакуумных субструктур и
взаимосвязями между ними, а во-вторых, свойства наблюдаемого
макромира - геометрические свойства Вселенной в целом, ее
крупномасштабная структура, химический состав Вселенной,
условия возникновения в ней биологических объектов
определяются свойствами частиц. Отсюда следует, что
относительно небольшие изменения в структуре вакуума могут
привести к радикальному изменению свойств мира. Параметры
вакуумных структур жестко зафиксированы для видимой
Вселенной. В этом смысле можно говорить, что вакуумные
структуры самоорганизуются единственным образом, который
только
и
позволяет
существовать
во
Вселенной
макроскопическим структурам. Так от размышлений о природе
пустоты приходим к постановке проблемы о самоорганизации
вакуума. Поэтому для краткой формулировки ситуации в
фундаментальной физике на рубеже XX и XXI вв., важными
являются следующие ключевые слова - вакуум и самоорганизация.
Заметим, что формирование категории вакуума как объекта со
209
сложной иерархической внутренней структурой есть результат
синтеза геометрической и квантовой парадигм физики XX в., а
самоорганизация проявляется как внутреннее свойство физического
вакуума, которое физикам и предстоит исследовать в XXI веке.
Сложные структуры квантового вакуума - та первооснова, которая
определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом.
Особое значение имеет проблема рождения пар частиц из
вакуума вблизи сингулярностей в космологических решениях,
описывающих эволюцию Вселенной. Вакуум способен порождать
не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации
вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных
постоянных.1
Вакуум по отношению к слабому взаимодействию ведет себя
как сверхпроводник. Поэтому возникает вопрос, какова должна
быть структура вакуума в этом случае. Из всего, что известно о
сверхпроводниках, вытекает, что в вакууме должна быть некая
подсистема, которая находится в состоянии Бозе-конденсата. Это
означает, что имеется большое число частиц с целочисленным
спином, находящихся в одном - единственном состоянии. Бозеконденсат обладает свойством сопротивляться изъятию из него
отдельных частиц и даже, наоборот, стремится втянуть в занятую
им область других партнеров. Именно это свойство и приводит к
сверхпроводимости. «В обычных сверхпроводниках Бозеконденсатом являются куперовские пары электронов. В теории же
электрослабого взаимодействия приходится вводить специальное
поле, называемое полем Хиггса, кванты которого являются
скалярными частицами и подчиняются статистике Бозе Эйнштейна. Обладая только "слабым" зарядом, частицы Хиггса
не влияют на электрические свойства вакуума и вносят
коррективы только в слабое взаимодействие».2
Недостаточно только ввести поле Хиггса, надо еще
заставить его конденсироваться. Речь идет о появлении
постоянного в пространстве и во времени классического поля.
Чтобы это было выгодно, необходимо, чтобы зависимость
потенциальной энергии от потенциала имела минимум. Фазовый
переход в сверхпроводящее состояние может происходить при
См.: Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических наук. 1984. Т. 144.
См.: Мостепаненко А.М., Мостепаненко В.М. Концепция вакуума в физике и философии // Природа.
1985. № 3. – С. 88-95.
1
2
210
понижении температуры. Переход может быть первого рода скачком и второго рода - плавно. При температуре, большей
критической, вакуум перестает быть сверхпроводником, конденсат
разрушается, промежуточный бозон становится, как и фотон,
безмассовым.
Значит, сверхпроводящие свойства вакуума
объясняются наличием в нем специального поля (φ-поля Хиггса),
кванты
которого
образуют
конденсат,
обладающий
сверхпроводящими свойствами. Они имеют "слабый заряд" и
являются электрически нейтральными. Конденсат появляется
только при уменьшении температуры. При температуре выше
критической конденсат испаряется, и вакуум перестает быть
сверхпроводящим.
Слабое
взаимодействие,
подобно
электромагнитному
взаимодействию,
становится
дальнодействующим. Нейтрино приобретает массу и взаимодействует с
веществом, промежуточные бозоны, наоборот, теряют массу.
Разрушение сверхпроводящего состояния происходит при
повышении температуры и плотности. Для этого промежуточному
бозону, например, надо сообщить энергию, эквивалентную массе
этой частицы (1015 К, 100 ГэВ). Такие температуры и энергии в
настоящее время создать невозможно. Названные условия могли
возникнуть непосредственно после «Большого Взрыва» в
инфляционный период развития Вселенной.
Возникает вопрос, при каких условиях могут происходить
такие превращения. Допустим, в некоторой области
пространства имеется потенциальная яма, созданная сильным
электрическим или каким-либо другим полем. Чтобы виртуальная
частица стала реальной, её энергия должна быть не меньше, чем
"энергия покоя" частицы, равная тс2 , где т и с соответственно
масса частицы и скорость света в вакууме. Если глубина ямы
превышает тс2 , энергия, которую приобретает частица, падая в
яму, может превратить частицу из виртуальной, какой она была на
краю ямы, в реальную. При этом в яме будут рождаться
и
накапливаться частицы, пока они не создадут такое
дополнительное поле, что глубина ямы станет равной тс2 и
дальнейшее рождение частиц станет невозможным. Прежний
вакуум при этом перестраивается, становится неустойчивым к
образованию соответствующих частиц, и в вакууме появляется поле
этих частиц.
211
Осуществить потенциальную яму тем легче, чем меньше
масса рождающихся частиц. Малую массу имеют электроны, но
они подчиняются принципу Паули, поэтому в каждом состоянии
может находиться только один электрон. Произойдет лишь
небольшая перестройка вакуума. Наименьшую массу среди
частиц, которые могут накапливаться в любом количестве, имеют
пи-мезоны. В связи с этим наибольший интерес вызывает
возникновение неустойчивости к образованию пи-мезонов. Такая
неустойчивость может возникнуть при сильных электрических
полях. Это возможно при нуклонном состоянии вещества. Там
глубина ямы становится больше энергии покоя мезона и возникает
неустойчивость вакуума относительно рождения пионов. В этой
области пространства возникает пионное поле. Это явление
называют пионной конденсацией.
Когда плотность нуклонов превысит некоторое критическое
значение, глубина ямы станет больше энергии покоя пиона и
при конденсации высвободится энергия. Значение критической
плотности известно пока очень грубо, можно только предполагать,
что оно не слишком далеко отстоит от плотности атомных ядер.
Таким образом, физика квантово-полевого вакуума
интересна и содержательна. Вакуум можно рассматривать как
особое состояние материи, а вакуумные эффекты наблюдаются в
эксперименте и играют важнейшую роль в квантово-полевой
картине мира. Конечно, круг физических явлений, которые
определяются структурой вакуума, значительно шире и не
сводится к перечисленным фактам. Многие проблемы физики
вакуума находятся на стадии интенсивных научных исследований
и еще ждут своего решения.
Физический вакуум можно представить себе как определенную материальную среду, обладающую, впрочем, некоторыми
совершенно специфическими свойствами. Сравнивая вакуумную
"материю" с обычной материальной средой, следует отметить ряд
сходств и различий. К сходствам нужно отнести, во-первых, то,
что физический вакуум, как и обычная среда, является носителем
энергии и характеризуется давлением, во-вторых, то, что вакуум,
как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроскопическую структуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют также возбуждения вакуумной среды, кото-
212
рые классифицируются как и возбуждения обычной распределенной материи - волнового и солитонного типа. Волновые
возбуждения вакуума понимаются и описываются в теории как
частицы. В то же время имеются и важные отличия, и в первую
очередь невозможность связать с вакуумом определенную систему
отсчета - в противном случае мы бы просто вернулись к концепции
эфира. Недеформированный вакуум выглядит одинаково при
взгляде на него из любой системы отсчета, в том числе и из
неинерциальной. Исследование объекта с такими инвариантными
свойствами требует совершенно определенной методологии,
отличной от методологии изучения эфира. Вакуум можно изучать
либо через свойства его возбуждений, либо путем его структурной
перестройки в макроскопических масштабах. Еще одно отличие
физического вакуума от обычной среды - специфическое уравнение
состояния р = -  , автоматически обеспечивающее постоянство
плотности энергии и давления вакуума во всех процессах типа
сжатия или нагрева. Только перестройка внутренней структуры
вакуума приводит к изменению этих констант. Их изменение может
происходить лишь скачкообразно при смене одной вакуумной
субструктуры другой. Постоянная плотность энергии вакуума
должна фигурировать в уравнениях Эйнштейна, и она там
присутствует в виде Λ-члена. Сам Эйнштейн не утверждал, что эта
характеристика относится к физическому вакууму, он полагал, что
самому пространству-времени присущи постоянные плотность
энергия и давление.
Дальнейшее развитие физики показало, что эти понятия пространство-время и вакуум - тесно связаны, так что идея
Эйнштейна была интерпретирована в терминах физического
вакуума и физики элементарных частиц. Чему же равна плотность
энергии вакуума в современной Вселенной? Этот вопрос, вообще
говоря, должен решаться в эксперименте. Долгое время
считалось, что значение Λ-члена точно равно нулю, и только в
последние годы астрономические наблюдения позволили
установить, что его величина отлична от нуля и плотность энергии
вакуума примерно в 10-20 раз превышает плотность энергии
барионной материи. Именно такие представления о величине Λчлена приняты сегодня.
213
Каким же образом были экспериментально получены данные
о величине Λ-члена? В связи с этим вопросом напомним, что
левая часть уравнений Эйнштейна содержит постоянную Хаббла
(характеристику
геометрии
пространства-времени,
по
представлениям Эйнштейна), а правая часть - плотность энергии
материи и вакуума. Так как скорость расширения Вселенной
постепенно замедляется в случае ее заполнения обычным
веществом, то нужно проанализировать скорость расширения в
различные эпохи эволюции Вселенной, т. е. следует изучать
далекие галактики, испустившие световые сигналы очень давно.
По свойствам регистрируемого сигнала (его движение
сопровождается расширением Вселенной), по степени его
искажения можно сделать конкретные выводы о характере
распространения сигнала - электромагнитной волны. Такими
хорошо
известными
источниками
сигналов
являются
вспыхивающие сверхновые звезды, т. е. нам точно известно,
какое излучение они генерируют». Исследование вспышек
сверхновых - это целая большая и активно развивающаяся область
современной астрономии.
Актуальность этой области науки в немалой степени
обусловлена тем, что, изучая эта вспышки, можно получить
информацию о Λ-члене. Имеется, впрочем, еще один, чисто теоретический способ определения величины Λ-члена: оказывается,
что значение Λ-члена тесно связано с процессами формирования
крупномасштабной структуры Вселенной, поскольку
темп
гравитационной неустойчивости определяется составом Вселенной и
скоростью ее расширения. Теоретически установлено, что наиболее
разумная картина образования крупномасштабной структуры имеет
место тогда, когда формирование этой структуры сопровождается
расширением пространства-времени Вселенной такого типа, когда
вполне определенную роль играет и плотность энергии вакуума.
Анализируя такой тип расширения, можно получить оценки
величины Λ-члена. Полученные количественные результаты
согласуются с наблюдательными астрономическими данными по
вспышкам сверхновых, что и позволяет уверено сделать вывод о
неравенстве Λ-члена нулю. На первый взгляд, может показаться,
что численное значение Λ-члена не очень велико, однако это не
так, поскольку Вселенная очень разрежена и средняя плотность
214
вещества в ней примерно 10-29 г/см3, а плотность энергии 10-8
эрг/см3.
В наблюдаемой Вселенной доминирует физический вакуум; по
плотности энергии он превосходит все обычные формы
космической материи вместе взятые. Вакуум создает космическую
антигравитацию, которая управляет динамикой космологического
расширения в современную эпоху. Из-за этого космологическое
расширение ускоряется, а 4-мерное пространство-время мира
становится статическим. Это не теории или гипотезы, которые еще
предстоит проверить на опыте, а прямое следствие надежных
наблюдательных данных 1, 2. Открытие сделано на основании
изучения далеких вспышек сверхновых звезд.
Физический вакуум является носителем всех потенциальных
свойств Вселенной, имеет сложную квантово-топологическую
структуру и представляет собой совокупность структур в
искривлениях и расслоениях пространства и времени, что вполне
очевидно
из
анализа
лабораторных
экспериментов,
астрофизических наблюдений и их теоретического осмысления.
Именно на уровне вакуума происходят процессы превращения
«ничего» в макроскопическую Вселенную. В структуре вакуума
происходящие на их уровне процессы обусловливают как сам факт
рождения Вселенной, так и ее свойства. Вакуум эволюционирует и
существует в режиме самоорганизации. Самоорганизация
проявляется как внутреннее свойство физического вакуума.
Сложные структуры физического вакуума являются первоосновой,
определяющей фундаментальные свойства нашего мира в целом.
Этот режим определяет как глобальные свойства Вселенной в
целом, так и локальные характеристики вещества. Важно, что
локальные и глобальные свойства Вселенной согласованы друг с
другом на высочайшем уровне точности так, чтобы в ней была
возможность появления человека разумного. Уже на уровне
существующих знаний мы можем уверенно утверждать, что факт
самоорганизации вакуумных подсистем установлен. Роль этого
факта в создании условий для возникновения жизни
прослеживается явно, однако природу этой самоорганизации мы,
1
См.: Riess A.G. et. al. // Astronomy. J. 116. 1009. 1998
2
См.: Perlmutter S. et. аl. // Astrophysics. J. 517565. 1999
215
конечно, пока установить не можем. Это станет возможным только
в полной теории вакуума, которая будет оперировать полным
набором полей, например на уровне суперструн. Эти задачи и будут
стоять перед фундаментальной физикой в XXI веке. Однако уже
сегодня есть понимание того, что вакуум - очень сложная система с
многочисленными
функциональными
связями,
причем
количественные характеристики подсистем и функциональных
связей зажаты в очень узких рамках, что возможно в режиме
самоорганизации. Именно режим самоорганизации такой сложной
системы, как физический вакуум, обеспечивает существование
такой сложной, эволюционирующей биологической системы, как
человек.
4.2. Спонтанное нарушение симметрии вакуума и
инфляционные сценарии развития Вселенной в
современной космологии
Мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление
имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется
только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е.
систем, элементами которых служат галактики. Другая особенность
расширения Метагалактики заключается в том, что не существует
центра, от которого «разбегаются» галактики. На факте расширения
Метагалактики основана современная теория происхождения и
эволюции нашей Вселенной.
В теории разрабатываются различные варианты сценария
эволюции Вселенной. Хотя они существенно отличаются друг от
друга, но наиболее перспективные из них имеют одну важную
особенность, которая заключается в наличии представлений о
существовании инфляционной стадии эволюции Вселенной стадии экспоненциального раздувания Вселенной. В рамках
инфляционных теорий удается решить ряд космологических
проблем, а также предсказать наличие «островной» структуры
Вселенной, что является следствием различных типов нарушения
симметрии в разных мини-вселенных. С этой точки зрения, и сама
жизнь оказывается результатом вполне конкретной цепочки
216
определенным образом спонтанно нарушенных симметрий
исходного вакуума1.
Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума
вошла в физику элементарных частиц из физики твердого тела. Эта
идея привела к созданию единой теории электромагнитного и
слабого взаимодействий. Теория слабого взаимодействия была
создана не сама по себе, а оказалась вписанной в единую
электрослабую теорию. В настоящее время теория электрослабого
взаимодействия
подтверждена
экспериментально.
Идея
спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает
отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии,
в котором среднее значение энергии всех физических полей равно
нулю. Здесь признается возможность существования состояний с
наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых
физических полей, возникает представление о существовании
вакуумных конденсатов - состояний с отличным от нуля
вакуумным средним. «Спонтанное нарушение симметрии означает,
что при определенных макроусловиях фундаментальные
симметрии оказываются в состоянии неустойчивости. Платой за
неустойчивое состояние системы является асимметричность
вакуума».2
Таким образом, в физику с использованием калибровочного
принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения симметрии
вакуума в качестве основного методологического принципа входит
принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь
призму диалектики симметрии и асимметрии. Ибо здесь ясно
просматривается
диалектическое
тождество
этих
противоположностей, когда симметрия содержит в себе в виде
возможности асимметрию, а асимметрия зиждется на симметрии.
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
См.: Верешков Г.М., Минасян Л.А., Саченко В.П. Физический вакуум как исходная абстракция //
Философские науки. 1990. № 7. – С. 20-29.
2
Гриб А.А., Дамаскинский В.В., Максимов В.М. Проблема нарушения симметрии и инвариантности
вакуума в квантовой теории поля // Успехи физических наук. 1970. Т. 102. Вып. 4. – С. 587-620.
1
217
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
1
(Суперобъединение).
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,
См.: Барашенков В.С. Законы симметрии в структуре физического знания // Физическая теория.
Философско-методологический анализ. – М.: Наука, 1980. – С. 332-351.
1
218
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».1
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
2
могут играть существенную роль в физике . Последующие успехи
квантовой механики исподволь укрепили веру в то, что l p и t p
могут быть квантами пространства и времени, для которых
применимы современные физические теории.
Князев В.Н. Философия физики // Философия науки. Методология и история конкретных наук. - М.:
«КАНОН+». 2007. – С. 99.
2
См.: Поппер К. Логика научного познания. – М.: Прогресс, 1983. – 606 c.
1
219
С точки зрения английского теоретика С. Хоукинга, на самой
ранней стадии развития Вселенной образовывались маленькие
«черные дыры». Он также показал, что эти «черные дырочки»
 43
испаряются примерно через 10 c . 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.1 «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 10 М К
».2
Современная космология рассматривает в качестве одного из
наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках
которого удается решить большинство космологических проблем,
сценарий, включающий инфляционную стадию3. 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 миниВселенная, 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,
26
См.: Шипов Г.И. Теория физического вакуума. – М.: Наука, 1997. – 238 c.
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1983. – 175 c.
3
См.: Линде А.Д. Хаотическая раздувающаяся Вселенная // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 138. Вып. 3. – С. 149151.
1
2
220
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».1 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 импульсноэнергетическими 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
1
Тарароев Я.В. Современная космология – взгляд извне // Вопросы философии. 2006. № 2. - С. 143.
221
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 типа1.
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
1
См.: Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. – М., 1990. – 364 c.
222
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
1
закономерностей». 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
Князев В.Н. Философия для физики // Философия науки. Методология и история конкретных наук. - М.:
«КАНОН», 2007. – С. 99.
1
223
конечную модель маловероятной».1 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 44 c
и плотность вещества
при этом составляла
   p  10 94 г см 3
. Размеры Вселенной увеличивались со временем
43
по закону R  R0 exp3  10 t , где t - в секундах. Вакуумноподобное
состояние неустойчиво, с течением времени оно распадется,
превратившись в обычную горячую материю. Это происходит через
35
промежуток времени t , равный 10  t p  3  10 c .
Ht
Известно, что космологическое решение ( R ~ e ) 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.
Ht
При этом решение ( R ~ e ) 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
9
1
Рудольф Карнап. Философские основания физики. - М.: Прогресс, 1971. - С. 222.
224
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
35
деситтеровского расширения на начальной стадии (  10 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».1
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
Кобзарев И.Ю. Спонтанное нарушение симметрии и его космологические следствия // Природа. 1975. №
11. – С. 20-26.
1
225
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
∆рх, 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 t  0 вся
энергия мира была заключена в его вакууме. Плотность энергии
вакуума можно подсчитать, используя постоянные c , h и G .
226
33
Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10 c . 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 пространствавремени. 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.1
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
1
См.: Девис П. Суперсила. Поиск: единой теории природы. - М.-Л.: Мир, 1989. – 272 с.
227
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».1
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.2
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».3 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.
Гудков Н.А. Идея Великого синтеза в физике. – Киев: Наукова думка, 1990. - 210 с.
См.: Жог В.И., Князев В.Н. Концепция супервзаимодействия и единство физического знания //
Философские науки. 1991. № 7. – С. 15-30.
3
Вайнберг С. За рубежом первых трех минут // Успехи физических наук. 1981. Т.34. Вып. 2. - С. 333.
1
2
228
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»1.
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
1
Девис П. Суперсила. поиск единой теории природы. – М.: Мир, 1989. – С. 223.
229
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».1
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 Вселенной2, 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.
1
2
Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических наук. 1984. Т. 144. Вып. 2. – С. 196.
См.: Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических наук. 1984. Т. 144. Вып. 2. – С. 177-214.
230
В рамках идеи ансамбля Вселенных широко обсуждается
проблема об «антропологическом принципе» отбора Вселенных1.
«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»2. 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 квантовомеханический 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 раздувания3. Вариант основан на представлениях о
хаотичности,
асимметричности
начального
состояния,
представляющего собой определенную разновидность квантовомеханического 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
См.: Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии // Космология,
теория и наблюдения. - М.-Л.: Мир. 1973. – С. 369-380.
2
Kanitsheidier B. Explanation in physical cosmology // Erkenntnlis. 1985. Vol. 22. № 1/3. – P. 261.
3
См.: Линде А.Д. Хаотическая раздувающаяся Вселенная // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 138. Вып. 3. – С. 149151.
1
231
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»1. 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»2 и поэтому «... ответом на
древний вопрос «почему есть нечто, а не ничто?» был бы: «потому,
что ничто неустойчиво»3. Неустойчивость связана с тем, что на
малых расстояниях от сингулярной точки происходят сколь угодно
Степин В.С. Становление научной теории. – Минск, 1976. - С.66-67.
Готт В.С. Материальное единство мира и единство научного знания // Философия и современное
естествознание. – М., 1982. – Вып. 3. – С. 45.
3
Виличек Ф. Космическая асимметрия между материей и антиматерией // Успехи физических наук. 1982.
Т.136. Вып.1. – С. 149-165.
1
2
232
сильные
флуктуации
метрики,
своеобразное
«кипение
1
топологической пены» , 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».2
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»
Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. – М.: Мир, 1974. – Т. 1. – 474 с.
См.: Новиков И.Д. Инфляционная модель ранней Вселенной // Вестник РАН. 2001. Т. 71. № 10. – С. 891894.
1
2
233
Вселенной»1. 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
1
Гудков Н.А. Идея «Великого синтеза» в физике. – Киев, 1990. – С. 195.
234
необходимо доводить до анализа развития всех уровней. Точно так
же, явно недостаточно ограничиваться исследованием связи какоголибо отдельного уровня с его ближайшими соседями - необходимо
установление взаимосвязи этого уровня со всеми остальными».1
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
-35
порядка 10 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 квантовоКрымский С.В., Кузнецов В.И. Характерные черты современной картины мира // Методологический
анализ физического познания. – Киев, 1985. – С. 103.
1
235
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
236
будущем в самых мощных ускорителях, составляет ~104 ГэВ».1
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».2
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
Тарароев Я.В. Современная космология – взгляд извне // Вопросы философии. 2006. № 2. – С. 143.
Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный принцип // Вопросы философии. 2008. № 5.
– С. 77.
1
2
237
«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
96
физических параметров, как плотность  ~ 10 кг/м и температура
T ~ 10 32 К, 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,  28
24
бозонов, до T  10 К , соответствующей энергиям 10 эВ ,
«высвобождаются»  - бозоны, и вследствии этого происходит
разделение сильного и электрослабого взаимодействий. При
16
понижении температуры до T  10 K  1000 ГэВ происходит
разделение слабого взаимодействия и электромагнитного
взаимодействия.
11
6
Затем за время 10 с  t  10 c 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.1 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
См.: Кронин Дж. Нарушение СР-симметрии. Поиск его истоков // Успехи физических наук. 1975. Т. 135.
Вып. 2. – С. 195-211.
1
238
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,


0
позитрон,  -лептоны,  - и  -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  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
характеристик1.
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,
См.: Новожилов Ю.А. Элементарные частицы // Структуры и формы материи. – М.: Наука, 1967. – С. 193228.
1
239
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. 1
1
См: Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука, 1984. – 325 с.
240
Этот закон сохранения относится не только к общему числу
фермионов, но и по отдельности к барионам (сохранение
барионного заряда В). Барионный заряд В называют также
барионным числом. Для барионов В=+1, для антибарионов В=-1.
Для совокупности барионов и антибарионов барионный заряд равен
разности числа барионов и антибарионов. Для совокупности
лептонов и антилептонов лептонный заряд L сохраняется.
Лептонный заряд (лептонное число) для лептонов L =+1, для
антилептонов L=-l. Однако эти весьма точные законы сохранения,
по-видимому, все же не являются абсолютными.
Для бозонов закона сохранения их числа не существует.
Бозонам, обладающим каким-либо зарядом, соответствуют
античастицы с противоположными знаками всех зарядов. Однако
есть и «абсолютно нейтральные» бозоны, для которых все заряды
равны нулю (например, фотон), они сами являются и своими
античастицами. Все лептоны имеют спин 1/2 и являются
фермионами. Фермионами являются также все барионы, но их
спины могут быть и больше 1/2 (3/2, 5/2 и т. д.). Все мезоны
принадлежат к бозонам. Фотон, имеющий спин 1, конечно, бозон.
«Функции» фермионов и бозонов в природе различны: фермионы источники полей, бозоны - кванты этих полей. Из фермионов
«построено» вещество, бозоны осуществляют взаимодействия
между структурами веществ1.
Физика XX в., проникая все глубже в строение материи, вышла
сначала на уровень атома, затем - атомного ядра и, наконец, на
уровень элементарных частиц. Однако понятие «элементарный»
относительно. Как сказал Ферми, «возможно, что оно отражает
уровень нашего понимания». С развитием физики частиц число
обнаруженных адронов быстро росло, к началу 60-х годов их было
уже известно больше, чем имеется элементов в таблице
Менделеева, более 350, и стало ясно, что все они не могут быть
элементарными. И тогда в 1964 г. Мюррэем Гелл-Манн и
независимо Джордж Цвейг выдвинули смелую гипотезу,
впоследствии блестяще подтвердившуюся, что все адроны состоят
из более элементарных структурных элементов, названных
кварками. Название «кварк» ввел Гелл-Манн. Слово взято из
романа Дж. Джойса «Поминки по Финнигану», где его значение
1
См.: Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных частиц. - М.: Мир, 1968. – 368 с.
241
неопределенно. (Между прочим, «quark:» по-немецки означает
«творог»). Оказалось возможным «построить» все известные в то
время адроны всего из трех видов кварков, обозначаемых
соответственно u, d, s - начальными буквами английских слов «up»
(вверх), «down» (вниз) и «strange» (странный). Барионы состоят из
трех кварков (соответственно барионный заряд кварков составляет
1/3), мезоны - из кварка и антикварка. Кварки - фермионы, их спин
равен 1/2, поэтому барионы тоже фермионы, а мезоны являются
бозонами. Наиболее необычное в свойствах кварков то, что у них
дробные электрические заряды -1/3(е) и +2/3(е), где е элементарный электрический заряд (следует заметить, что
существование дробных электрических зарядов, хотя и
представляется нам удивительным, не нарушает ни одного
известного закона природы). В то же время электрические заряды
адронов, равные сумме зарядов составляющих их кварков, всегда
целые.1
Значительной является также и роль принципа симметрии в
формировании
и
систематизации
экспериментального
и
теоретического знания в физике элементарных частиц. На
начальном этапе развития физики элементарных частиц поиски
определенных групп симметрии основывались на убеждении, что
существование различных частиц с одним и тем же значением
спина, участвующих во взаимодействиях одного и того же типа,
связано с дополнительными внутренними степенями свободы,
включающими, кроме всего прочего, изотопический спин и
гиперзаряд. «Поскольку внутренние степени свободы проявлялись
при превращениях, вызываемых сильными взаимодействиями, то
предположение об их существовании было эквивалентно
предположению о дополнительных свойствах симметрии,
имеющихся у сильных воздействий».2
Но в целом схема появления симметрии была следующей. Все
взаимодействия подразделялись по силе на части, где наиболее
сильная часть обладала и наибольшей симметрией. При учете
только этой части большие группы частиц с одинаковым спином и
четностью имеют одну и ту же массу (полная симметрия). Учет
1
2
См.: Гейзенберг В. Космология, элементарные частицы, симметрия // Природа. 1969. № 12. – С. 79-85.
Розенталь И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная. – М.: Наука, 1987. – 144 с.
242
менее сильного, несимметричного взаимодействия изменяет спектр
масс частиц, сохраняя изоспиновую и гиперзарядовую
инвариантность. Если принять во внимание также и
электромагнитное взаимодействие, нарушающее изоспиновую
инвариантность, то получается весь спектр (элементарный) масс
частиц. Проблема заключалась в отыскании симметрии наиболее
сильной части взаимодействия и в доказательстве того, что
несимметричная часть может привести к нужному расщеплению
вырожденных масс элементарных частиц и описать их распады.
Группой симметрии, удовлетворяющей всем этим требованиям и
дающей хорошее согласие с опытом, оказалась группа SU(3),
предложенная Гелл-Манном и Нееманом, которая явилась
естественным обобщением SU(2)-симметрии. На ее основе удалось
не только объединить в мультиплеты сильновзаимодействующие

частицы, но и предсказать существование новой частицы (  гиперона).
Успехи, связанные с SU(3)-симметрией, на основе которой
были
преодолены
некоторые
проблемные
ситуации,
активизировали попытки ее дальнейшего обобщения. Среди них
наиболее удачной оказалась группа SU(6), в рамках которой SU(3)симметрия получила объединение со спином. Но наибольшим
успехом пользуется направление, связанное с динамическим
обоснованием SU(3)-симметрии. В рамках динамического
обоснования SU(3)-симметрии возникла новая идея, а именно идея
существования новых субъядерных частиц-кварков, из которых
должны быть построены все сильновзаимодействующие частицы1.
В настоящее время идея кварков пронизывает буквально всю
физику высоких энергий, «с их помощью объясняется так много
экспериментальных данных, что физике просто невозможно
обойтись без этих удивительных частиц, так, как, например,
химику без атомов и молекул»2.
Первоначально кварки представлялись довольно простыми
образованиями, чем-то вроде «кубиков», из которых сложены
адроны. Для того чтобы объяснить прочную связь кварков в
адронах, был придуман еще один вид гипотетических частиц,
См.: Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. – Махачкала, 2007. – 258 с.
Барашенков В.С. Существует ли граница науки: количественная неисчерпаемость материального мира. –
М.: Мысль, 1982. – С. 82-83.
1
2
243
которые как бы склеивают кварки между собой. Эти частицы были
названы глюонами (от английского «glue» - «клей»)1.
В дальнейшем существование кварков и глюонов было
доказано
экспериментально.
С
открытием
кварков
последовательность уровней строения материи приобрела
следующий вид: кварки, адроны, атомные ядра, атомы.
Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее
проявлениях -вещество и поле. Причем частицы вещества и кванты
полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя
различным образом. Так, частицы вещества являются фермичастицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц
подчиняются статистике Ферми - Дирака. Все фермионы имеют
полуцелое значение некоторой очень важной квантовой
характеристики элементарной частицы (не менее важной, чем заряд
или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым
значением спина справедлив принцип запрета Паули, что
определяет закономерности периодической системы элементов
Менделеева.
Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) частицами с целочисленным значением спина. Системы
тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том
же энергетическом состоянии может находиться любое число
частиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматриваются как
частицы, имеющие различную природу. В свою очередь, частицы
вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и
лептоны входят в состав других физических объектов и считаются
при
достигнутых
на
сегодняшний
день
энергиях
2
«бесструктурными» .
В табл. 1 и 2 представлены все экспериментально открытые в
настоящее время элементарные частицы - это 12 элементарных
фермионов (со спином S=1/2) и 4 бозона (со спином S=1). У
каждого заряженного фермиона есть своя античастица. В таблицах
приведены также массы частиц (верхние пределы масс для
нейтрино и фотона) и годы, когда эти частицы были
1
См.: Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных частиц. - М.: Мир, 1968. – 368 с.
2
См.: Кейн Г. Современная физика элементарных частиц – М.: Мир, 1990. - 364 с.
244
экспериментально открыты. Таким образом, имеются шесть сортов
(или, как их принято называть, ароматов) кварков. Значения масс
кварков характеризуют их массы в составе адронов, так как кварков
в виде свободных изолированных частиц не существует.
Казалось бы, из трех поколений фермионов нас может
интересовать только первое - ведь мир вокруг нас и мы сами
построены из нуклонов и электронов, и то обстоятельство, что
нуклоны состоят из трех кварков (р=uud, n=ddu), ничего не значит.
Однако согласно теоретическим моделям без фермионов второго и
третьего поколений не может быть нарушена СР-инвариантность, т.
е. во Вселенной на всех стадиях эволюции было бы равное
количество протонов и антипротонов, электронов и позитронов; все
они в результате аннигиляции превратились бы в фотоны и
нейтрино. И нас не было бы. Но это, как видим, не так.
Таблица 1
Фундаментальные фермионы
Частицы
первое
Кварки
верхние
нижние
Лептоны
нейтрино
заряженны
е
Поколения
второе
u
c
5 МэВ
1964 г.
d
10 МэВ
1964 г.
vc
<10 эВ
1956 г.
1300 МэВ
1974 г.
S
150 МэВ
1964 г.
vμ
<170 КэВ
1962 г.
e

Q
Третье
t
176 ГэВ +2/3
1994 г.
b
4,3 ГэВ -1/3
1977 г.
vt
< 24 МэВ 0
1975 г.

105,7 МэВ
0,51 МэВ
1897 г.
1777 мэВ
1937, 1947
г.
-1
1975 г.
В современной научной картине мира фундаментальные
фермионы принято рассматривать как «кирпичи» мироздания, а
четыре векторных бозона - как переносчики взаимодействий, некий
«клей», их скрепляющий. В табл. 2 приведены характеристики
245
четырех фундаментальных векторных бозонов. Два заряженных
слабых бозона W+ и W- являются античастицами по отношению
друг к другу, поэтому рассматриваются как единое целое.
Таблица 2
Фундаментальные векторные бозоны
Фотон
Глюон
Y
<10-15 эВ
1926 г.
g
0
1973 г.
Нейтральный
слабый бозон
Z°
91,2 ГэВ
1983 г.
Заряженные слабые
Бозоны
W+, W80,4 ГэВ
1983 г.
Нейтральный (Z°) и заряженные (W+, W-) бозоны являются
переносчиками слабого взаимодействия между электронами,
протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного
взаимодействия являются глюоны. Источниками глюонов являются
специфические, так называемые «цветовые» заряды. Они не имеют
никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства
описания. Каждый из шести ароматов кварков существует в трех
цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к
соответственно). Антикварки тоже несут цветовые антизаряды.
Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно
не зависят от ароматов кварков. Таким образом, в настоящее время
полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести
ароматов) достигло 36. Кроме того, имеется еще 9 глюонов.
Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии. «В
основном «цвет» кварка (квантовое число, характеризующее кварки
и глюоны подобно знаку электрического заряда), стал выражать
различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и
отталкивание кварков. Глюоны, переносят цвет от одного кварка к
другому, в результате чего кварки удерживаются вместе».1
Существование кварков и глюонов приводит к появлению
нового состояния вещества, которое носит название кварк-глюоная
плазма. Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как
обычная
плазма,
а
из
кварков
и
глюонов,
слабо
1
Розенталь И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная. – М.: Наука, 1987. – 144 с.
246
взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих
вообще. Кварк-глюоная плазма также считается обнаруженной,
хотя это утверждение неоднозначно и является предметом
многочисленных дискуссий.
Модель кварков хорошо описывает спектр масс элементарных
частиц и закономерности взаимодействий между ними. Она
позволила не только систематизировать уже известные частицы, но
и предсказать целый ряд новых частиц и предугадать их свойства.
Вместе с тем в этой области имеются некоторые неясные
проблемы. Например, неясно, почему кварки не могут вылетать из
частиц наружу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что
силы взаимодействия между кварками и антикварками схожи с
силой натяжения упругой струны. Чтобы удалить кварки друг от
друга, необходимо растянуть струну, а энергия, необходимая для
удаления кварков, возрастает пропорционально расстоянию между
ними. Развести на большие расстояния можно лишь ценой затраты
огромной энергии. Однако еще раньше, как только сообщенная
системе энергия достигнет величины, достаточной для образования
кварка и антикварка, струна может разорваться, и на
образовавшихся концах опять будут находиться кварк и антикварк.
Результатом попытки отделения кварка от адрона будет создание
нового мезона.
Конфаймент (пленение кварков внутри адронов) связан с
законом асимптотической свободы. «Жизнь» кварков внутри
адронов всецело регламентируется принципом цветовой симметрии
SU(3), на базе которой строится квантовая теория сильных
взаимодействий - хромодинамика, основными объектами описания
и объяснения которой являются кварк и кварк-глюонное
взаимодействие1. «Квантовая хромодинамика построена по тем же
принципам, что и квантовая электродинамика, но квантовая
хромодинамика является более сложной теорией. Главный же
источник
дополнительной
сложности
закладывается
в
множественности цветовых зарядов»2.
Важным в плане построения теории оказалось и то, что
сущность цветовых свойств симметрии SU(3) стабильно
сохраняется. Но, сохраняясь сама, цветовая симметрия SU(3) всё
1 Исаев П.С. Квантовая электродинамика в области высоких энергий. - М.: Энергоатомиздат, 1984. – С. 263.
2 Амбарцумян В.А., Казютинский В.В. Научные революции и прогресс астрофизики // Вопросы философии. 1979. № 3. –
С. 24.
247
изменяет. Ее свойства (красный, зеленый, синий и т. д.) изменяются
непрерывно в процессе кварк-лептонных взаимодействий, но она
сама как тождество противоположностей абсолютно сохраняется.
Это свойство цветовой симметрии SU(3) отражает объективную
диалектику кварк-лептонных взаимодействий и выступает
концептуальной основой построения внутренне симметричной,
перенормируемой и экспериментально проверяемой теории
сильных взаимодействий. На всех этапах построения квантовой
хромодинамики, как подчеркивает известный специалист в этой
области Ф. Клоуз, принцип цветовой симметрии играет
фундаментальную
познавательную
роль,
выполняя
гносеологическую, логическую и методологическую функции1.
Изучение свойств кварков и переносчиков сильных
взаимодействий глюонов привело к выявлению новой «скрытой»
симметрии уже между кварками и лептонами. Предположение, что
кварк-лептонная симметрия является важным законом природы,
привело к открытию нового, четвертого с-кварка. Из
предположения о возможности существования с-кварка с
неизбежностью следовало, что должно существовать большое
семейство адронов, содержащих этот кварк. Большое число
элементарных
частиц
с
указанными
свойствами
было
экспериментально обнаружено впоследствии.
В дальнейшем идея симметричности кварк-лептонной схемы
была нарушена открытием новой частицы  -лептона и выводом о
существовании и  -нейтрино. Восстановление нарушения
симметрии однозначно приводило к необходимости существования
еще двух новых кварков. И действительно, сейчас получены
многочисленные свидетельства существования b- и t-кварков. В
этом случае полная кварк-лептонная симметрия расширяется. Эта
симметрия, кроме чисто внешней (геометрической) стороны,
глубоко затрагивает и другие важнейшие стороны развития физики
микромира. Она, в частности, указывает на возможность
существования глубокой внутренней связи между кварками и
лептонами. В этом плане представляется заслуживающей
серьезного внимания гипотеза известных физиков-теоретиков А.
Салама и И. Пати, согласно которой лептонные частицы являются
сильно расщепленными приводит к тому, что кварк становится 241
См.: Клоуз Ф. Кварки и лептоны. – М.: Мир, 1982. – С. 318-320.
248
компонентной частицей. Включение лептонных состояний в состав
кварка приводит к принципиально новому состоянию, когда
наблюдаемое фундаментальное состояние является четвертым
«цветовым» состоянием кварков1. Такое предположение стирает
различие между кварками и лептонами. Фундаментальное кварклептонное единство указывает на возможность переходов между
ними, т. е. практически означает возможность распада протона.
Изучение следствий кварк-лептонной симметрии также указало
на возможность того, что сами кварки (по крайней мере, некоторые
на них) «сложны» и состоят из «более» простых составляющих.
«Вспомним, - пишет по этому поводу в свой Нобелевской лекции
А. Салам, - что кварки несут, по крайней мере, заряды трех видов
(цвет, аромат и номер семейства). Почему бы теперь не принять
представление о кварках (и возможно, о лептонах) как об объектах,
составленных из более фундаментальных сущностей (прекварков,
или преонов), каждый из которых несет только один вид основного
заряда»2.
Таким образом, в последнее время появились новые
радикальные идеи о наличии более глубокого уровня строения
материи, который связывается с существованием новых частиц,
названных преонами. Вследствие этого возникли принципиально
важные вопросы. Попытки ответить на них, как подчеркивают
известные специалисты в этой области С. С. Герштейн и А. А.
Логунов, в свою очередь, приводят к интереснейшим и
увлекательнейшим гипотезам о возможном единстве всех сил
природы3. В рамках одной из таких гипотез возникла идея
суперсимметрии. «Идея суперсимметрии позволит разрешить
преобразования, переводящие фермионы и бозоны друг в друга.
Физический стимул к этому - существование среды элементарных
частиц-супермультиплетов, в которых группируются частицы с
различными спинами»4.
Сходство между фермионами и бозонами было замечено еще
Дираком, но только совсем недавно усилиями таких физиковтеоретиков, как Гельфанд, Лихтман, Волков, Акулов, Бесс и
См.: Wussing H. Die Genesis abstrakten Gruppenbegriffes. - Berlin, 1969.
Салам А. Калибровочное объединение фундаментальных сил // Успехи физических наук. 1984. Т.132. Вып. 2. - С. 244.
3
См.: Герштейн С.С., Логунов А.А. Единство различных сил природы и строение элементарных частиц //
Ленинское философское наследие и современная физика. – М.: Наука, 1981. – С. 458-501.
4
Бергман П. Единые теории поля. //Успехи физических наук. 1980. - Т.132. - Вып. 1. - С. 188.
1
2
249
Зумино, удалось объединить в одну группу преобразования,
соответствующие бозонным и
фермионным операторам.
«Самое главное свойство суперсимметрии, - как подчеркивают
Л.Е. Генденштейн и И.Б. Криве, - состоит в том, что она весьма
нетривиальным образом объединяет непрерывные преобразования
(например, трансляция) с дискретными преобразованиями особого
вида (типа отражения). При этом сохраняется
формальная
аналогия между этими типами
преобразований, имеющих
существенно
различную природу. Именно наличие этой
аналогии и является «изюминкой» суперсимметрии»1.
«Как это ни удивительно, оказалось принципиально
возможным связать преобразованиями суперсимметрии поля
частиц с целым и полуцелым спином, подчиняющиеся разным
статистикам, и объединить бозоны и фермионы в обобщенные
мультиплеты. Суперполевой подход в сравнении с обычными
моделями квантовой теории поля вызывает повышенный интерес
благодаря резкому сокращению числа расходимостей в теории в
силу его связи с теорией тяготения Эйнштейна».2
Суперсимметрия утверждает, что при перестановке бозонных и
фермионных частиц физические законы остаются неизменными. Из
свойств суперсимметрии следует далеко идущее обобщение у
каждого бозона должен быть свой партнер-фермион и наоборот.
Поэтому наряду с кварками-фермионами должны существовать и
кварки-бозоны. Продолжая аналогию, можно предположить, что
фотону должен соответствовать его партнер фотино; электрону
электрон-бозонный партнер и т. д. Расчеты выявляют очень
большую разницу масс партнеров, которая, однако, выравнивается
при очень высоких энергиях.
Сегодня все кварки уже обнаружены, и в их существовании
никто не сомневается.
Более того, как отмечалось, выдвинута
гипотеза о протокварках (преонах и т. д.) - частицах следующего
структурного уровня строения материи. Однако возможно, что
деление вещества
на каком-то этапе прекратится, причем
нетривиальным образом: составные части адронов теряют
возможность самостоятельного существования в свободном виде.
Вполне вероятно, что
процесс дробления вещества
Генденштейн Л.Е., Криве И.Б. Суперсимметрия в квантовой механике // Успехи физических наук. 1986. Т.
146. Вып. 4. - С. 554.
2
Князев В.Н. Концепции взаимодействия в современной физике. - М.: Прометей, 1991. – С. 43.
1
250
останавливается именно на кварках.
Стандартная Модель
содержит принципиально важную гипотезу, что массы
частиц
обязаны своим происхождением действию механизма Хиггса.
«Этот сложный механизм можно очень упрощенно представить
таким образом.
В некотором (ненаблюдаемом) исходном
вакуумном состоянии, до своего «рождения», частицы не обладают
массами.
Это «зародышевое» состояние симметрично, но
неустойчиво (его энергия не минимальна). Взаимодействие с
полем, квантами которого являются виртуальные бозоны Хиггса
W, Z0, дает толчок к спонтанному нарушению этой симметрии, и
частицы переходят в более устойчивое состояние, приобретая
массы».1
Одной из нерешенных задач в теории элементарных частиц
является обнаружение хиггса - скалярного бозона со спином S=0.
Хиггсовскими бозонами называют кванты особого скалярного
поля, введенного в физику элементарных частиц П. Хиггсом. В
1964 г. Питер Хиггс (Peter W. Higgs) из Эдинбургского
университета изучил работу Голдстоуна и обнаружил, что теория с
самопроизвольным
нарушением
симметрии
допускает
существование массивных частиц. Масса возникает из-за
взаимодействия между полем  и всеми типами частиц, включая и
частицы - переносчики слабых ядерных сил. От того, удастся его
обнаружить или нет, будет многое зависеть в теории строения
материи предлагаемой физикой XXI века, так как эта частица, по
мнению ученых, определяет массу материи. Предполагается, что в
природе существует особая форма поля - хиггсовское поле,
носителем которого и является хиггсовский бозон. Оно
поразительно похоже на отвергнутый учеными всепроникающий
эфир и заполняет всю Вселенную. В хиггсовском поле,
взаимодействуя с ним, движутся все частицы. Масса частицы
определяется как мера ее взаимодействия с хиггсовским полем2.
Открытие W и Z0 и соответствие их масс предсказанным было
доказательством основных положений электрослабой теории и
сильным аргументом в пользу гипотезы о существовании поля
бозонов Хиггса, взаимодействие с которым приводит к появлению
масс W и Z0. Последовательное развитие электрослабой теории
1
2
Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. - М.: Мысль, 1985. - С. 248-252.
См.: Кайзер Д. Рождение космологии частиц // В мире науки. 2007. № 9. – С. 41-47.
251
привело к предположению, что массы кварков и лептонов также
должны быть обусловлены взаимодействием с полем Хиггса. Таким
образом, если указанное представление о механизме появления
масс частиц верно, то должны существовать бозоны Хиггса фундаментальные частицы с весьма необычными свойствами. Их
открытие будет доказательством важнейшей гипотезы Стандартной
Модели.
Как было сказано выше, Стандартная Модель исходит из
представления, что массы частиц возникают при спонтанном
нарушении симметрии электрослабого взаимодействия в процессе
их взаимодействия с полем гипотетических бозонов Хиггса
(обычно их для краткости называют просто хиггсами). Хиггсы, как
и калибровочные бозоны, проявляются в виртуальном состоянии
как кванты соответствующего поля (поля Хиггса), но должны
существовать и в виде реальных физических частиц. Однако
бозоны Хиггса резко отличаются как от калибровочных бозонов,
так и от всех остальных фундаментальных частиц, прежде всего по
таким определяющим характеристикам, как спин и взаимодействие
с другими частицами.1
Хиггсы - единственные из всех фундаментальных частиц - не
имеют спина: четность хиггсов положительна, и в соответствии с
классификацией частиц по их спину и четности они являются
скалярными частицами. Бозоны Хиггса - особая форма материи,
поэтому выяснение, действительно ли они существуют,
необходимо для понимания механизма появления масс частиц, а
также
для
понимания
природы
физического
вакуума.
Следовательно поиск бозонов Хиггса - наиболее важная
экспериментальная задача современной физики частиц. В
простейшем варианте теории, принятом Стандартной Моделью,
должен существовать только один тип бозона Хиггса, не имеющий
электрического заряда. Согласно теории суперсимметрии должны
быть как нейтральные, так и заряженные хиггсы. Итог
заключительного этапа работы LEP - получено серьезное указание
на существование хиггсов с массой около 115 ГэВ.
В теории элементарных частиц актуальной проблемой физики
является теория одномерных струн, успехи которой сильно зависят
См.: Герштейн С.С., Логунов А.А. Единство различных сил природы и строение элементарных частиц //
Ленинское философское наследие и современная физика. – М.: Наука, 1981. – С. 458-501.
1
252
от экспериментов с частицами сверхвысоких энергий. Вместо
термина «струны» часто употребляют «суперструны» (superstrings),
во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами
(такое понятие есть в астрофизике), и во-вторых, чтобы
подчеркнуть их предполагаемую симметрию. В рамках
Стандартной Модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в
роли носителей взаимодействия - калибровочные бозоны,
которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же
суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки
и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более
тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков)
материи, скрепленных еще более прочным «цементом»
сверхэнергетических частиц - носителей взаимодействий, нежели
кварки в составе адронов и бозонов1.
В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные
частицы считаются точечными. На самом деле фундаментальной
является теория не точечных частиц, а струн. В ней элементарные
частицы - это колебания одномерных объектов (струн), имеющих
характерные длины, равные планковским размерам. На столь
малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий,
что это и представить немыслимо) материя превращается в серию
полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах
музыкальных инструментов. Как и в гитарной струне, в такой
струне может возбуждаться, помимо основного тона, множество
обертонов или гармоник. «Струны представляют собой
одномерные объекты, по последним оценкам имеющие размер
порядка 10-16 см. Они характеризуются сильными натяжениями и
находятся в состоянии непрерывных вибраций с различными
гармониками, иначе называемыми колебательными модами. В
зависимости от частоты вибрации натянутой струны, на уровне
Стандартной Модели квантовой теории каждой отдельной
колебательной моде отвечает одна из известных элементарных
частиц. Следовательно, основа элементарных частиц, а вместе с
ними и вещества – это элементарные сгустки энергий,
вибрирующие с различными частотами».2 Струны могут быть
См.: Казаков Л.И. Суперструны или за пределами стандартных представлений // Успехи физических наук.
1986. – Т. 150. – Вып. 4. – С. 562-563.
2
Ровинский Р.Е. Мировоззренческие проблемы физической науки, наследуемые XXI веком // Вопросы
философии. 2008. № 8. – С. 132.
1
253
конечной длины (некоторый отрезок) или иметь вид колец. Струны
движутся не в обычном четырехмерном пространстве, а в
многомерных пространствах, скажем, с десятью или одиннадцатью
измерениями. Они обладают бозон-фермионной симметрией, т. е.
являются
суперструнами.
Суперструны
присоединены
к
многомерным супермембранам. Теория суперструн также
значительно укрепила бы позиции в случае обнаружения
суперсимметричных частиц. А это уже задача экспериментальной
микрофизики1.
Научные результаты, полученные в последние годы,
показывают, что существующих знаний о фундаментальных
частицах и их взаимодействиях явно недостаточно для описания
наблюдаемого мира. В частности, Стандартная Модель физики
частиц (теория, описывающая фундаментальные частицы и их
взаимодействия вплоть до расстояний 10-16 см, т. е. около одной
тысячной размера атомного ядра) требует значительного
расширения2, 3.
Например, задуматься о неполноте наших знаний в области
физики микромира заставил факт наличия в нашей Вселенной
вещества и практически полное отсутствие в ней антивещества.
Такая асимметрия между материей и антиматерией тем более
удивительна, что в ранней Вселенной была эпоха, когда интенсивно
происходили процессы парного рождения и аннигиляции частиц и
античастиц. Тогда Вселенная была заполнена частицами и
античастицами, причем на миллиард пар частица-античастица
приходилась одна «лишняя» частица. Впоследствии, при
расширении
и
остывании
Вселенной,
античастицы
проаннигилировали с частицами, а «лишние» частицы остались и
образовали окружающее нас вещество Вселенной. Вопрос о том,
каким образом возникла асимметрия между материей и
антиматерией, был поставлен в конце 1960-х годов А.Д. Сахаровым
и В. Кузьминым. Однако и в настоящее время на него нет
однозначного ответа. Предполагается, что это обусловлено
нарушением законов сохранения, характерных для Стандартной
См.: Нестеренко В.В. Релятивистские струны: от мыльных пленок к объединению фундаментальных
взаимодействий // Природа. 1986. № 11. – С. 12-19.
2
См.: Грин М.Б. Суперструны // В мире науки. 1986. № 110. – С. 11-19.
3
См.: Гринберг О.У. Новый структурный уровень // Успехи физических наук. 1987. – Т. 153. Вып. 2. – С.
336-351.
1
254
Модели физики частиц, что наблюдается при взаимопревращениях
нейтрино1.
Если бы Стандартная Модель исчерпывающим образом
описывала мир элементарных частиц, то основными носителями
массы в современной Вселенной были бы барионы, а на долю
электронов, фотонов и безмассовых нейтрино приходилась бы
пренебрежимо малая часть обшей массы и энергии Вселенной.
Подавляющая часть барионной компоненты мира, очевидно,
собрана в звездах, поэтому, казалось бы, достаточно пересчитать
звезды и измерить их массы в некотором доступном участке
Вселенной (содержащем, тем не менее, много галактик), разделить
полную массу на объем и в результате найти среднюю плотность
вещества во Вселенной. Средняя плотность вещества, согласно
уравнениям Эйнштейна, определяет скорость расширения
Вселенной (постоянную Хаббла). Далее остается сравнить
экспериментально найденное значение плотности с величиной
экспериментально измеренной постоянной Хаббла и убедиться в
правильности наших представлений о мире. Но именно здесь нас и
поджидает сюрприз: оказывается, эти экспериментальные данные
совершенно не согласуются друг с другом. Следовательно, должны
существовать некоторые дополнительные носители энергии,
ускользающие от прямых астрономических наблюдений в
оптическом и радиодиапазонах. Эти загадочные невидимки,
природа которых до сих пор неизвестна, и получили название
темной энергии.
Введение в научный обиход представления о существования в
природе темной энергии - слабовзаимодействующей физической
субстанции, пронизывающей все пространство видимой Вселенной,
- явилось сенсацией номер один в физике на рубеже ХХ - ХХI вв. и
стало неожиданностью для большинства исследователей, в
особенности работающих на стыке физики элементарных частиц и
космологии. Дело в том, что известные энергетические масштабы,
характерные для фундаментальных взаимодействий, составляют
величины порядка 1 ГэВ (сильные взаимодействия), 100 ГэВ
(электрослабые взаимодействия) и 1019 ГэВ (гравитационные
взаимодействия), и не было никаких оснований2 думать, что в
См.: Джоржи Х. Единая теория элементарных частиц // Успехи физических наук. 1982. Т. 130. Вып. 2. – С.
554-594.
2
См.: Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность // УФН. 2008. Т. 178. № 3. – С. 301-307.
1
255
природе имеется еще один, гораздо меньший масштаб энергий.
Однако оказалось, что темная энергия характеризуется масштабом
Еv ~ 10-3 эВ, определяемым тем, что плотность темной энергии
равна ρv =Еv.
Открытие темной энергии расставило все точки над i в
наблюдательной космологии. Впервые за все время развития науки
появилась
Стандартная
космологическая
Модель,
удовлетворяющая всей совокупности наблюдательных данных и не
имеющая сегодня серьезных конкурентов. Замечательно, что
Стандартная Модель прекрасно описывает как эволюцию
Вселенной в целом, так и образование её структуры. Несмотря на
влияние темной энергии, генерация структуры все ещё происходит
в современной Вселенной и будет продолжаться в течение около 10
млрд лет.
В то же время признание факта существования темной энергии
качественно изменило ситуацию в физике, указав на
недостаточность наших знаний о микромире. Не будет
преувеличением сказать, что выяснение физической природы
темной энергии – это центральная проблема современного
естествознания.
Одним из неожиданных результатов, полученных за последние
полтора-два десятилетия, стало выяснение того факта, что
известные частицы (протоны, нейтроны, эдра, электроны, фотоны и
нейтрино) обеспечивают всего около 5 % полной энергии в
современной Вселенной. Большая часть энергии связана с темной
материей (20 – 25 %) и темной энергией (70 – 75 %). Эти формы
энергии существенно различаются по своему поведению в
расширяющейся Вселенной и имеют совершенно различные
возможные интерпретации с точки зрения физики частиц.
Возникает предположение, что природа темной энергии
отлична от вещественной, поскольку в ней не присутствуют
элементарные частицы вещества. Это не должно нас удивлять, ведь
давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом,
также проявляет признаки невещественной природы, что позволяет
говорить о том, что в нашем мире существует две формы материи:
вещество и физический вакуум как более тонкая форма материи.
«Наблюдаемые сегодня свойства темной энергии позволяют
предполагать, что эта субстанция относится к той же форме
256
материи, что и физический вакуум. Допустимы и обобщающие
предположения, что темная энергия является составной частью
физического вакуума, и она неразрывно связана с присущими
вакууму антигравитационными свойствами, иначе говоря, с силами
гравитационного отталкивания».1
Темная материя, по-видимому, состоит из новых, неизвестных
частиц. Эти частицы должны быть стабильными или иметь время
жизни, сравнимое с возрастом современной Вселенной, t≈15 млрд
лет. Таких частиц нет в Стандартной Модели, так что уже само
представление о темной материи требует выхода за рамки
Стандартной Модели. Частицы темной материи имеют те же
свойства по отношению к гравитационным взаимодействиям, что и
обычные частицы; они способны собираться в сгустки (гало
галактик
и
галактические
скопления)
и
формировать
гравитационные потенциалы. Исключительно велика роль темной
материи в формировании структур во Вселенной – галактик, их
скоплений и т. д. «Из результатов исследования этих структур, как
и из изучения анизотропии и поляризации микроволнового
реликтового излучения, следует, что частицы темной материи были
нерелятивистскими уже на весьма ранних этапах эволюции
Вселенной, что, скорее всего, связано с достаточно большой
величиной их массы. В то же время частицы темной материи не
имеют электрического заряда и вообще чрезвычайно слабо
взаимодействуют с веществом, иначе они были бы уже
зарегистрированы в экспериментах по их прямому поиску».2
О существовании темной материи свидетельствует не только
вышеописанный космологический тест, но и целый ряд других
фактов наблюдательной астрономии. К ним можно отнести
некоторые особенности динамики звезд внутри галактик, динамики
галактик внутри скоплений и, наконец, динамики скоплений внутри
сверхскоплений.
Фундаментальное
значение
имеет
то
обстоятельство, что скорость движения объектов внутри
гравитационно-связанной системы определяется величиной
гравитационного поля, а эта величина, в свою очередь, зависит от
количества объектов, входящих в систему. Поэтому, например,
если мы пересчитаем все звезды в галактике и зафиксируем их
Ровинский Р.Е. Мировоззренческие проблемы физической науки, исследуемые XXI веком // Вопросы
философии. 2008. № 3. – С. 130.
2
Рубаков В.А. Иерархии фундаментальных констант // УФН. 2007. Т. 177. № 4. – С. 409-413.
1
257
пространственное распределение, то сможем восстановить
величину гравитационного поля и теоретически предсказать
скорости движения звезд в самосогласованном гравитационном
поле. Подчеркнем, что измерения скоростей и измерения
количества и распределения звезд в галактике являются
независимыми. Но они обязаны быть согласованными друг с
другом, если правильны законы гравитации. Парадокс состоит в
том, что результаты этих измерений не согласуются друг с другом.
Эта несогласованность имеет место на всех уровнях
космологических структур, начиная с галактик.
На уровне планетных систем все согласуется. Для нашей
Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в
два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения
звезд. Так как законы теории гравитации проверены с высокой
точностью и в лабораторных экспериментах, и на уровне
планетных систем, то нет оснований предполагать, что в масштабах
галактик действуют какие-то другие законы гравитации. Поэтому у
нас остается только один способ разрешения парадокса предположить, что половина вещества Галактики находится в
невидимом состоянии, т. е. состоит из таких частиц, которые не
могут излучать фотоны (название "темная материя" как раз и
отражает ее неспособность взаимодействовать с фотонами).
Аналогичные исследования на уровне скоплений галактик
показывают, что в скоплениях доля невидимого вещества
составляет уже около 90 %. На уровне сверхскоплений - более 95
%, при этом на долю барионной компоненты приходится лишь от 3
до 5 %. Этот факт означает, что в действительности мы не знаем, из
чего состоит Вселенная. Известные энергоносители составляют
лишь несколько процентов массы и энергии Вселенной. Нам
известна лишь общая закономерность: чем меньше масштаб
структуры, тем меньше в ней темной материи (например, в состав
планеты Земля темная материя, по-видимому, вообще не входит).
Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет темная
материя: в самых больших структурах – в сверхскоплениях
галактик обычное вещество - лишь слегка заметная (по массе)
258
компонента, распыленная по громадному облаку материи
неизвестной природы1.
Космологические данные свидетельствуют о том, что всего ~ 4
% массы во Вселенной составляет обычное светящее вещество, т. е.
барионы. Остальное - это «неизвестно что». Более того, это
«неизвестно что» имеет две составляющие - темную материю
(около 24 %) и темную энергию (более 72 %), из которой 0,3 - 1 %
приходится на нейтрино. Носителей темной материи назвали
нейтралино.
Темная материя - это совокупность невидимых объектов во
Вселенной,
которые
можно
зафиксировать
только
по
гравитационным аномалиям. Она присутствует в галактиках и их
скоплениях, способна сгущаться.
Проблема установления физической природы темной материи,
по-видимому, самая актуальная проблема теоретической и
экспериментальной космологии. Эта проблема очень сложна и
далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать,
решение надо искать в физике квантового вакуума и элементарных
частиц. Как уже отмечалось, существующая теория элементарных
частиц - Стандартная Модель не справляется с этой задачей.
Сохранить Стандартную Модель возможно только в рамках
гипотезы, что темная материя имеет все-таки барионную природу,
например находится в форме тяжелых темных планет, невидимых в
астрономических наблюдениях. Эта гипотеза, однако, вступает в
противоречие с одним из наиболее надежных результатов
теоретической и наблюдательной космологии. Дело в том, что от
концентрации барионов зависит результат нуклеосинтеза. Как уже
обсуждалось выше, и в согласии с данными о химическом
составе во Вселенной находится именно то количество барионного
вещества, которое соответствует видимой материи.
Первый шаг за пределы Стандартной Модели, непосредственно
связанный с проблемой темной материи, - обращение к гипотезе
массивных нейтрино. Предполагая существование малой, но
отличной от нуля массы нейтрино, мы, тем не менее, сохраняем все
предсказания Стандартной Модели относительно свойств
взаимодействия нейтрино друг с другом и с другими частицами.
См.: Долгов А.П., Зельдович Я.В. Космология и элементарные частицы // Успехи физических наук. Т.130,
Вып. 2. – С. 595-611.
1
259
Однако гипотеза о том,
что масса темной материи
полностью содержится
в массивных нейтрино, уже сегодня
вступает в противоречие с данными о крупномасштабной структуре
Вселенной. По-видимому, она состоит из суперсимметричных
тяжелых частиц в 100 - 1000 раз тяжелее протона1.
Продолжая искать объяснение природы темной материи среди
новых частиц, необходимо сразу указать три условия, которым
такие частицы должны удовлетворять:
1) частицы, составляющие темную материю, слабо
взаимодействуют с известными частицами;
2) массы новых частиц очень велики (десятки и сотни ГэВ);
3) эти частицы стабильны, по крайней мере время их жизни не
меньше возраста Вселенной.
Другой путь основан на поиске вакуумных структур,
способных исполнять роль темной материи. Отметим, что на этом
пути физиками сделаны лишь первые шаги. Постараемся пояснить
суть этого подхода, обратившись, прежде всего, к свойствам
хиггсовского конденсата. Мы уже отмечали, что происхождение и
природа хиггсовского конденсата связаны с регулярной
деформацией
слоистой
структуры
пространства-времени,
отвечающей
слабым
взаимодействиям.
Эта
деформация
осуществляется физическим полем специфической природы,
которое и называется хиггсовским полем. В отличие от других
полей, это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с
другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него
имеется так называемая конденсатная компонента, которую
образно можно представить как однородную "жидкость", разлитую
по всему пространству. Квантованные волны (хиггсовские бозоны)
являются возбуждением этой "жидкости", а сама однородная
"жидкость" соответствует основному вакуумному состоянию с
наименьшей энергией. Природа темной материи, может быть, одна
из главных загадок физики XXI века. Пути ее исследования - это
возможная регистрация частиц, входящих в ее состав.
В отличие от темной материи темная энергия равномерно
«разлита» во Вселенной.
Она
обладает
необыкновенными
свойствами.
Наблюдения свидетельствуют: Вселенная сегодня
См.: Высоцкий М.И. Суперсимметричные модели элементарных частиц // Успехи физических наук. 1985.
Т. 136. Вып. 4. – С. 591-636.
1
260
расширяется с ускорением, а это значит, что темная энергия
испытывает антигравитацию. Возможно, это и есть энергия
физического вакуума.
Для описания антигравитации Эйнштейн специально ввел в
общую теорию относительности новую константу, которая так и
называется - космологической постоянной. Конечно, эта была
гипотеза, и притом весьма смелая. Величина же космологической
постоянной не выводилась из какой-либо теории, а подлежала
наблюдательному определению.
Как уже сказано, вакуум явился в космологию с
эйнштейновской космологической постоянной  , и его плотность
выражается через значение этой постоянной: V   /(8G) .
Физическая интерпретация космологической постоянной
складывалась постепенно, десятилетие за десятилетием, начиная с
работ де Ситтера, Леметра, Толмена, Бонди. Сейчас считается
общепринятым, что космологическая постоянная описывает
космический вакуум, т. е. такое состояние космической энергии,
которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в
пространстве плотностью, притом в любой системе отсчета. По
этим свойствам вакуум принципиально отличается от всех других
форм космической энергии, плотность которых неоднородна в
пространстве, падает со временем в ходе космологического
расширения и может быть разной в разных системах отсчета. Если
оставить в стороне представление о статичности Вселенной, то
гипотеза Эйнштейна была в действительности предположением о
существовании в мире космического вакуума. И это
предположение наконец подтвердилось в астрономических
наблюдениях. По наблюдательным данным о сверхновых звездах
плотность вакуума превышает суммарную плотность всех
остальных видов космической энергии.
Вакуум обладает не только определенной плотностью энергии,
но и давлением. Если плотность вакуума положительна, то его
давление отрицательно. Связь между давлением и плотностью, т. е.
уравнение состояния, имеет для вакуума вид pV=-ρV . Это – и только
это – уравнение состояния совместимо с определением вакуума как
формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью,
независимо от системы отсчета. Это открытие изменяет, в первую
очередь, наше понимание современной стадии космологической
261
эволюции, нынешнего состояния Вселенной. Прежде считалось,
что вся история космологического расширения – это история его
затухания после первоначального Большого Взрыва. Сейчас
оказывается, что как раз в нашу эпоху динамика расширения
перешла со стадии замедления к новой стадии ускорения.
Лишь немного уступает вакууму по плотности темное
вещество. Темное вещество не излучает ни света, ни других
электромагнитных волн и вообще практически не взаимодействует
с электромагнитным излучением. В нашей Галактике темного
вещества приблизительно в 10 раз больше, чем светящегося
вещества звезд. Оно образует обширную невидимую корону, или
гало, вокруг звездного диска Млечного Пути. Подобные темные
гало имеются, по-видимому, у всех достаточно массивных
изолированных галактик. Темное вещество содержится также в
группах галактик и в самых больших космических системах –
скоплениях и сверхскоплениях галактик. Как и в нашей Галактике,
темное вещество составляет до 90 %, а иногда и более, полной
массы всех этих систем. Оно проявляется только благодаря
создаваемому им тяготению, и именно по своему гравитационному
эффекту.
Гравитационные свойства темной энергии сильно отличаются
от свойств других форм энергии. Темная энергия не собирается в
сгустки, она равномерно «разлита» во Вселенной. Плотность
темной энергии очень слабо изменяется или вообще не изменяется
со временем, в то время как плотность любых частиц относительно
быстро уменьшается из-за расширения Вселенной. Наличие темной
энергии приводит к ускоренному расширению Вселенной, так что
можно условно сказать, что темная энергия испытывает
антигравитацию. В рамках общей теории относительности это
возможно, если данная субстанция имеет, помимо положительной
энергии, отрицательное давление. Отрицательность давления
следует и из общего соотношения: dE   pdV .
Действительно, если плотность энергии постоянна или почти
постоянна во времени, то при расширении Вселенной энергия (в
сопутствующем объеме) растет как объем, так что давление должно
быть отрицательным и равным или почти равным по абсолютной
величине плотности энергии.1
1
См.: Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение // УФН. 2008. Т. 178. № 3. – С. 267-298.
262
Возможные формы темной энергии и их проявление в
космологических наблюдениях обсуждаются очень широко. Одна
из возможностей состоит в том, что темная энергия – это энергия
вакуума (или космологическая постоянная). В середине 1960-х
годов Э.Б. Глинер предложил «материальную» интерпретацию
космологической постоянной; он показал, что идея Эйнштейна
эквивалентна предположению о существовании во Вселенной
идеально однородной макроскопической среды с плотностью ρV.
Среда со столь необычным уравнением состояния не похожа ни на
какие «нормальные» жидкости или газы. Следуя Глинеру,
перечислим её важнейшие особые свойства.
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 -
263
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
264
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».1 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.
Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» атропный принцип // Вопросы философии. 2008. № 5. –
С. 75.
1
265
4.4. Роль понятия вакуума в формировании единой теории
фундаментальных физических взаимодействий
История идей объединения взаимодействий в физике имеет
давние традиции1. 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
1
См.: Спасский Б.И. История физики. – М.: Высшая школа, 1977. – 320 с.
266
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
267
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.
268
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 поля1. 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»2.
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»3.
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
См.: Вейль Г. Симметрия. – М.: Наука, 1968. – 192 с.
Эйнштейн А. Собрание научных трудов: В 4 т. – М.: Наука, 1965. Т. IV. - С. 100.
3
Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. – Киев: Наукова думка, 1990. - С. 99.
1
2
269
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 Калуца1. 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
Клейн2. 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 квантовотеоретическими 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 См.: Калуца Т. К проблеме единства физики // Сб. «Альберт Эйнштейн и теория гравитации». - М.: Мир.,
1979. – С. 529-534.
2
Kepler I. Opera omnia. Frankfurt, 1858. – P. 423
1
270
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 l p . Это скрытое от нас измерение косвенным
образом проявляется в заряде1.
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 сердцах2.
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?3
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
См.: Калуца Т. К проблеме единства физики // Сб. «Альберт Эйнштейн и теория гравитации». - М.: Мир,
1979. – С. 529-534.
2
Паули В. Общие принципы волновой механики. – М.: Мир, 1974. Т. 1 – 474 с.
3
Ланцош К. Альберт Эйнштейн и строение космоса. – М.: Наука, 1967. - С.132.
1
271
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
1
неопределенностей .
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
Уилера2, суть которой состоит в конструировании гравитационноэлектромагнитных объектов, представляющих собой высоко
концентрированное
электромагнитное
поле,
удерживаемое
собственным гравитационным притяжением в течение весьма
длительного времени. Причем, такие объекты существуют
См.: Омельяновский М.Э. Проблема элементарности частиц в квантовой физике //Философские проблемы
физики элементарных частиц. – М.: Наука, 1964. – 320 с.
2
См.: Уиллер Дж. Предвидение Эйнштейна. – М.: Мир, 1970. – С. 93.
1
272
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 поля1.
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 вычислений2.
В работах Уилера, Шемберга, Герога, Мизнера, Хоукинга и
других3 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.
См.: Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. – Т. 1. - М: Мир, 1974. – 474 с.
См.: Философия науки /под. ред. С.А. Лебедева. - М.: Трикста, 2004. – С. 607-609.
3
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. 542554; Шипов Г.И. Теория физического вакуума. - М.: Наука, 1997. – 238 с.
1
2
273
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»1.
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
приближения2. 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
Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных частиц. – М.: Мир, 1968. - С. 136.
См.: Вайнберг С. Единые теории взаимодействия элементарных частиц // Успехи физических наук. 1976. Т.
118. Вып. 3. – С. 505-521.
1
2
274
виде должно рассматриваться как итог качественно нового синтеза
противоречивых понятийных систем, как результат обобщения всех
предшествующих фрагментарных теорий1. 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»2. Но большинство
наблюдаемых частиц имеют массу покоя. И это обстоятельство
рассматривалось как «кардинальный дефект теории калибровочных
полей»3.
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.
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.
2
Ахундов М.Д., Илларионов С.В. Методологический анализ современного этапа развития квантовой теории
поля // Методы научного познания и физика. – М.: Наука, 1986. - С. 299.
3
Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Физика на пути к единству. – М.: Знание, 1985. – С. 40.
1
275
Таким путем Вайнберг, Салам и Глэшоу пришли к единой
теории
электромагнитных
и
слабых
взаимодействий.1
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±γ5), 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.2 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.
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.
1
2
Об этом более подробно нами сказано выше.
276
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
277
сверхвысоких энергиях, искомое единство предстало бы перед
нами во всей простоте и очевидности»1.
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 нельзя2.
«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
Джорджи Х. Единая теория элементарных частиц // Успехи физических наук. 1982. Т. 132. Вып. 2. - С.
288.
2
См.: Матинян С.Г. На пути объединения слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий // Успехи
физических наук. – 1980. Т. 130. Вып. 1. – С. 3-38.
1
278
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»1.
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
1
Вайнберг С. За рубежом первых трех минут // Успехи физических наук. 1981. Т. 134. Вып. 2. - С. 352.
279
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 квантовогравитационного состояния, в которой классические представления
ОТО не работают. «Для описания протекающих в этой области
процессов необходимо создать теорию, объединяющую квантовую
280
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».1
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.
Ровинский Р.Е. Мировоззрение проблемы физической науки, наследуемые ХХ веком // Вопросы
философии. 2008. № 3. - С. 131.
1
281
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
доказали1, 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».2
Для этого пришлось ввести понятие суперструны. Важнейшим
свойством суперструны является так называемая суперсимметрия,
1
2
См.: Грин Б. Суперструны // В мире науки. 1986. № 10. – С. 11-19.
Грин Б. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. - М.: Наука, 2004. – С. 17-18.
282
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 теории1.
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
См.: Барабашов Б.М., Нестеренко В.В. Суперструны – новый подход к единой теории фундаментальных
взаимодействий // УФН. 1986. Т. 150. Вып. 4. – С. 489-521.
1
283
все они различные пределы одной теории. Каждый из них имел
свою применимость, и различные пределы разных описаний
пересекаются. Эта фундаментальная теория, которую назвали Мтеорией, есть именно та теория, различные фазы которой может
описывать каждая из пяти теорий суперструн - десятимерия».1
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 группой2. 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
Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. – М.: Мир, 1990. – 364 с.
См.: Нестеренко В.В. Релятивистские струны: от мыльных пленок к объединению фундаментальных
взаимодействий //Природа. – 1986. №11. – С. 12-19.
1
2
284
частицами, вакуумом и гравитацией».1 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 = 1,610-33 см. Считается, что длины
меньше планковской в природе не существует. Совместно с
планковским временем t=10-43 с они составляют пространственновременные 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 причинноследственные 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.
В этом направлении интересным представляется изучение
единой калибровочной природы различных типов физических
Князев В.Н. Философия физики. // Философия науки. Методология и история конкретных наук. - М.:
КАНОН, 2007. – С. 109-110.
1
285
взаимодействий1.
Калибровочный
принцип
называют
динамическим нововведением в общей теории относительности.
Нововведением является тот факт, что гравитационное поле здесь
не постулируется; а выводится как результат инвариантности
(симметрии)
лагранжиана теории относительности
группы
локальных калибровочных преобразований. То есть требование
симметрии
порождает определенный конкретный вид
взаимодействия, в данном случае -гравитационного. А это уже
принципиально новый подход в физике.
Благодаря ему,
современная физика отошла от исторической традиции, согласно
которой заранее давалась форма взаимодействий, установленная
экспериментально
и описанная
теоретически.
Форма
взаимодействий не постулируется, а выводится как результат
инвариантности относительно групп определенных локальных
преобразований,
как способ, которым в природе должно
компенсироваться локальное калибровочное преобразование.
И
неважно,
какие виды симметрии обуславливают эти
взаимодействия. В каждом случае теории, в которых работает
указанный принцип, называют калибровочными. Иными словами,
калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос,
почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия,
ибо тип взаимодействия диктуется симметрией.2
Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое - имеют
калибровочную природу и описываются калибровочными
симметриями. То есть все взаимодействия как бы одной природы.
Это вселяет надежду, что можно будет найти единый подход ко
всем известным взаимодействиям и описать эволюцию Вселенной
из состояния, представленного единым суперсимметричным
суперполем, в котором различия между типами взаимодействий,
между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще
не проявлены3.
Салам А. Последний замысел Эйнштейна: объединение фундаментальных взаимодействий и свойств
пространства-времени // Современная теория элементарных частиц. - М.: Наука, 1984. – С. 14-21.
2
См.: Коулмен С. Тайная симметрия: введение в теорию спонтанного нарушения симметрии и
калибровочных полей // Квантовая теория калибровочных полей. – М.: Мир, 1977. – С. 27-49; Тоннела М.А.
Обновление понятия относительности в физике Эйнштейна // Эйнштейновский сборник. – М.: Наука, 1966.
– С. 189-211.
3
См.: Бергман П. Единые теории поля // Успехи физических наук. 1980. Т.132. Вып. 1. – С.177-190.
1
286
Большой познавательный интерес вызывает также выяснение,
что представляет собой поле как физический объект.
Первоначальная
его
интерпретация
была
как
особого
делокализованного («размазанного» в пространстве-времени) вида
существования материи. Материальность поля проявляется в том,
что оно способно обмениваться энергией и импульсом с другой,
более привычной, локализованной формой материи - частицами,
занимающими определенное место в пространстве в каждый
момент времени. Сегодня мы понимаем, что подобная
интерпретация поля очень упрощена и соответствует лишь самому
первому этапу его изучения как физического объекта. Альберт
Эйнштейн выдвинул ключевую идею, суть которой в том, что поле,
заданное на пространственно-временном многообразии, в
действительности является характеристикой самого пространствавремени, т. е. поле представляет собой не внешний по отношению к
пространству-времени объект, а его внутреннее свойство. Иными
словами, поле задает топологию и геометрию пространствавремени. Впервые эта идея была воплощена Эйнштейном в теории
гравитации, где было показано, что гравитационное поле есть мера
искривленности пространства-времени, а все физические
(негравитационные) поля участвуют в процессе его искривления и
в реакции на это искривление. На данном этапе теоретические
представления о природе гравитационного взаимодействия были
сформулированы в терминах искажения геометрии пространствавремени в виде деформаций пространства-времени одними
квантами материальных полей и реакций на эти деформации других
квантов полей материи.
Развитие теорий взаимодействий, основанных на концепции
калибровочных полей, неожиданно оказалось глубоко связанным и
с идеей геометризации физики, выдвинутой Эйнштейном. Совсем
недавно было осознано, что калибровочные поля глубоко связаны с
геометрической
концепцией связанности на расслоениях1.
Геометризация
калибровочных
полей
показывает,
что
пространство-время нашего мира - это всего лишь частный случай
возможных динамических геометрий. Оказалось, что любому
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.
1
287
калибровочному полю соответствует геометрия расслоенного
пространства.
Значит с электромагнитными, слабыми и сильными
взаимодействиями
связаны
не
искривления
4-мерного
пространственно-временного континуума, а искажения геометрии
другого типа, а именно - расслоения пространства-времени. Причем
этим трем типам взаимодействий соответствуют различные типы
расслоений. «Получается, что на современном уровне развития
представлений о микромире все взаимодействия можно
«геометризировать» в терминах расслоенных пространств. Переход
от четырехмерного пространства-времени к расслоенному
пространству приводит к тому, что физическое пространство,
определяемое фундаментальными взаимодействиями, может быть
многомерным и даже бесконечномерным».1
Отметим, что развитие представлений о поле как о
характеристике геометрии и топологии пространства-времени
долгое время происходило без отказа от категории пустоты, т. е.
вакуума, но теперь под вакуумом понимается состояние, в котором
геометрия пространства-времени не деформирована. То есть
вакуум отождествлялся с отсутствием как точечных частиц,
вызывающих
деформацию
пространства-времени,
так
и
собственных
волновых
возбуждений
его
геометрии.
Гравитационный вакуум, как и вакуум КХД, имеет сложную
квантово-топологическую структуру. Но если вакуум КХД
представляет собой совокупность структур в расслоениях
пространства-времени, то гравитационный вакуум есть набор
топологических структур в искривлениях пространства-времени.
Интерпретация всех типов взаимодействий как искажений
искривленной и расслоенной геометрии пространства-времени
представляет собой центральную идею современной базисной
концепции геометризации физики.
Деформация пространственно-временных слоев соответствует
тому, что состояние без частиц само по себе имеет определенные
энергетические характеристики, и это состояние следует
рассматривать как материальный объект. Это состояние вакуума
(одна из его подсистем) называется хиггсовским конденсатом (ХК)
по имени ученого П. Хиггса, впервые предложившего ввести в
1
Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. – М.: Атомиздат, 1980. – С. 214.
288
теорию спонтанное нарушение вакуумной симметрии. Теперь мы
можем сказать точнее – масса W± и Z0 бозонов определяется их
взаимодействием с ХК.
К настоящему времени установлено, что важнейшим
элементом материального мира является не просто 4-мерный
континуум Эйнштейна - Минковского, а 4-мерная искривленная и
расслоенная геометрия пространства-времени. Векторные поля,
переносящие взаимодействия, как раз и описывают эти расслоения.
Одна из главных проблем современной физики - выяснение
природы расслоений. Сегодня мы лишь знаем, что такие
расслоения
существуют,
математически
описываются
нелинейными уравнениями и соответствуют полям, кванты
которых несут на себе заряды фундаментальных взаимодействий.
Однако мы не уверены в том, что именно дискретная структура
соответствует расслоениям, сопоставляемым фундаментальным
взаимодействиям. Есть и альтернативный подход к интерпретации
расслоений 4-мерного пространства-времени, основанный на
представлениях о дополнительных пространственных измерениях.
В этой трактовке принимается, что каждая точка пространствавремени чувствует существование дополнительных измерений.
Иными словами, не исключено, что на самом деле наш мир
многомерен, но для выхода в дополнительные измерения сегодня у
нас недостаточно энергетических ресурсов. Само же существование
этих измерений, их проекции на 4-мерное пространство-время
проявляются в нашем мире как векторные силовые поля.
Детальные
исследования процессов взаимодействий
элементарных частиц на современных ускорителях привели к
выводу о том, что совокупность слоев
пространства-времени,
соответствующая только
электромагнитному взаимодействию,
способна находиться в
недеформированном состоянии при
отсутствии
внешних источников,
способных
создавать
соответствующие
деформации.
Как
оказалось,
слоистые
структуры, соответствующие
другим типам взаимодействий слабому
и
сильному,
спонтанно
(самопроизвольно)
деформируются. Именно деформированное состояние является
энергетически выгодным для этих структур. Оказалось также, что
характер деформации слоистой
структуры, соответствующей
слабому взаимодействию, существенно отличается от характера
289
деформации слоев, отвечающих сильному взаимодействию.
На
сегодняшний день представления о характере этих деформаций
таковы:
деформации «слабых» структур в некотором смысле
непрерывны
(различные
пространственно-временные
слои
регулярно и непрерывно сдвинуты друг относительно друга, что
делает возможным их различать). Деформации же «сильных»
структур, напротив, имеют ярко выраженный дискретный характер.
Последнее обстоятельство связано с тем, что природа «сильной»
слоистой
структуры
целиком
определяется
существенно
квантовыми закономерностями; будучи предоставлена самой себе,
эта
совокупность
слоев
не
является
классически
детерминированной. Структура же слоев слабого взаимодействия
приближенно классически детерминирована - квантовые эффекты в
лице нулевых колебаний ее лишь слегка возмущают. Свойства
расслоенных структур, связанных с сильными взаимодействиями,
формируются
квантовыми
флуктуациями
гораздо
более
интенсивными (и имеющими несколько иное происхождение), чем
нулевые колебания1.
В целом, слоистая структура представляет собой квантовую
суперпозицию (наложение) совершенно различных субструктур,
соответствующих принципиально разным состояниям квантовых
силовых полей, непрерывно переходящих друг в друга. Такие
переходы
сопровождаются
возникновением
мощных
квазилокализованных флуктуаций большой амплитуды, сильно
скоррелированных друг с другом. Флуктуации непрерывно
рождаются и гибнут, но в каждой области пространства и в каждый
момент времени среднее их число остается неизменным. Эти
состояния слоистых структур имеют место даже в тех областях
пространства-времени, где нет материи в нашем понимании. Эти
структуры задают состояние физического вакуума, их называют
вакуумными
конденсатами.
Свойства
материи
целиком
определяются свойствами этих вакуумных структур.
Таким образом, разработка проблем физики, поставленных на
рубеже 19-го и 20-го веков, привела к становлению двух
фундаментальных концепций, которые можно выразить ключевыми
словами – геометризация и кванты. Мы имеем в виду
См.: Верешков Г.М., Минасян Л.А., Саченко В.П. Физический вакуум как исходная абстракция //
Философские науки. 1990. № 7. – С. 20-29.
1
290
геометризацию взаимодействий и квантовый характер движения
макрообъектов.
Более глубокий синтез этих понятий начался уже в нашу эпоху,
в конце 20-го века. Прежде всего, на геометрическом языке были
сформулированы представления о нулевых (квантовых) колебаниях
полей. Теперь они интерпретируются как нулевые колебания
недеформированных геометрических структур. Экспериментальные
данные и более глубокий теоретический анализ привели к выводу,
что квантовые геометрические системы способны к спонтанной
деформации даже в отсутствие материи в привычном для нас
понимании этого слова. Это обстоятельство заставило радикально
пересмотреть наши представления о физическом вакууме. Согласно
современным научным представлениям физический вакуум
насыщен четырьмя известными типами флуктуаций, характерными
для
различных
пространственно-временных
масштабов
окружающего мира:
1. Первый тип флуктуаций физического вакуума связан с
электромагнитными волнами (или фотонами), т. е. волновыми
возмущениями, распространяющимися по его «поверхности», от
миллиардов источников (ускоренно движущихся заряженных
частиц, звезд, квазаров, галактик).
В каждую точку
физического вакуума
со всех сторон постоянно поступает
неимоверное количество этих возмущений с различными длинами
волн (частотой), амплитудой (числом) и поляризацией (спином).
Но в силу принципа суперпозиции (бозонной статистики, по
сути, означающей, что в одной и той же точке вакуума может
присутствовать бесчисленное
множество различных фотонов)
вся совокупность электромагнитных возмущений физического
вакуума практически компенсирует друг друга. Остается лишь
незначительный фон (т. н. реликтовое излучение), находящийся
значительно ниже уровня чувствительности человеческого глаза,
но весьма существенный для микромира элементарных частиц.
Распространение электромагнитных возмущений в широчайшем
диапазоне
длин волн
105-10-10 см происходит
на фоне
практически классической пустоты, искаженной малыми для
таких масштабов вакуумными колебаниями.
2. При рассмотрении объемов с характерными размерами
порядка 10-11 - 10-13 см физики сталкиваются с так называемыми
291
электрослабыми вакуумными флуктуациями. В этих масштабах
наиболее существенную роль играют промежуточные W± и Z0 бозоны, обладающие как электромагнитными свойствами (в
частности, они подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна), так и
свойствами частиц, имеющих массу. Иными словами, в масштабах
объемов 10-11 - 10-13 см сказываются ещё электромагнитные
свойства вакуумных возмущений, но уже проявляются новые
свойства: в отличие от фотонов промежуточные бозоны обладают
массой и малым временем жизни. Данный слой физического
вакуума называют «слабым» вакуумом. Вообще, свойства этого
слоя имеют промежуточный характер и могут быть детально
осмысленны лишь при отдельном изучении электромагнитных
излучений и кварк-глюонного конденсата.
3. Третий тип флуктуаций физического вакуума наиболее ярко
проявлен в объемах с характерным размерами порядка 10 -14 - 10-16
см, в таких объемах электромагнитные свойства вакуума еле
ощутимы, здесь на смену векторным полям приходит значительно
более
сложная
картина
бытия,
населенная
спонтанно
рождающимися и исчезающими кварками и антикварками,
обменивающимися «цветными» глюонами. Насчитывается шесть
(вообще говоря, вместе с лептонами, восемь) разновидностей
кварков, разделенных на три «поколения». Кварки - это уже
фермионы, т. е. вакуумные образования, которые не терпят
присутствия других подобных им образований в одной и той же
точке пространства-времени, они обладают не только дробными
электрическими зарядами, но и характерными только для них
свойствами, которые физики назвали «цветами». Три типа
положительных зарядов назвали «красными», «синими» и
«зелеными», а три типа отрицательных зарядов «антикрасным»,
«антисиним» и «антизеленым». Кварки и антикварки склеены
между собой «цветными» глюонами, т. е. глюонным полем.
Каждый глюон имеет одновременно один из «положительных» и
один из «отрицательных» цветных зарядов, например, «красныйантисиний». Все это повсеместно наисложнейшим образом
флуктуирующее многообразие в масштабах объемов 10-14 - 10-16 см
физики
назвали
кварк-глюонным
«конденсатом»
(КГК)
физического вакуума. Именно этот «конденсат» и является
292
мелкомасштабными вакуумными флуктуациями с точки зрения
масштабов электромагнетизма.
4. Четвертый
известный
физикам
тип
вакуумных
флуктуаций связан с еще меньшим объемом
пространствавремени с характерными масштабами порядка 10-18 - 10-21 см.
Это так называемый хиггсовский конденсат (по имени П. Хиггса,
впервые предложившего ввести в теорию спонтанное нарушение
вакуумной симметрии).
Предполагается, что хиггсовский
конденсат (ХК) состоит из большого количества мельчайших
вакуумных образований - т. н. технокварков и техноглюонов
(голдстоуновских бозонов) с радиусом конфаймента (заключения)
менее 10-17 - 10-18 см. Описываются эти образования уже не
векторными и тензорными, а спинорными полями.
Таким образом,
современная физика пытается связать
проблему существования массы с вакуумными эффектами,
связанными с взаимодействием двух уровней бытия кваркглюонного конденсата и хиггсовского конденсата, посредством
математического приема, предложенного Хиггсом в 1964 г. Он
основан на введении дублета хигговских скалярных полей,
взаимодействующих с векторными и спинорными полями,
причем так, чтобы сохранялась SU(2)xU(1)-симметрия. Дело в том,
что в SU(2)xU(1)-симметричной теории как частицы, так и поля
переносчиков взаимодействий оказываются безмассовыми. На
хигговский конденсат накладывается специальное условие: более
выгодным было не нулевое значение (вакуумное среднее) этого
скалярного дублетного поля, что соответствует нарушению
изначальной
SU(2)xU(1)-симметрии, которое ответственно за
возникновение масс покоя элементарных частиц. Физический
вакуум как бы становится фундаментальной основой «Великого
объединения» всех видов взаимодействий в единую теорию поля.
293
Заключение
Исследование генезиса известных физических картин мира
показывает, что переход от одной физической картины мира к
другой сопровождается изменением системы их онтологических
принципов. При этом каждая следующая физическая картина мира
опирается на соответствующую данной стадии развития физики
фундаментальную физическую парадигму.
Онтологический статус физической картины мира выступает
необходимым условием объективизации конкретных эмпирических
и теоретических знаний и возникновения основной
фундаментальной парадигмы, определяющей характер данной
физической картины мира.
В физике наиболее радикальным был период становления
квантово-релятивистской физики, когда были пересмотрены
принципы
неделимости
атомов,
отрицания
абсолютного
пространства и времени, был отвергнут лапласовский детерминизм
физических процессов.
Историческое развитие научных картин мира выражается не
только в изменении их содержания. Историчными являются сами
их формы. В XVII в., в эпоху становления естествознания,
механистическая картина мира была одновременно и физической, и
естественнонаучной, и общенаучной картиной мира.
Зафиксированные элементы рациональных знаний обнаружены
у цивилизации вавилонян (шумеров, аккадцев) в VII - VI
тысячелетиях до н. э. после появления у них письменности. К
наиболее значительным их интеллектуальным достижениям можно
отнести арифметические, планиметрические (землемерные) и
астрономические знания.
В результате накопленных наблюдательных знаний человека
его сознание поднялось до постановки вопросов о мироустройстве
и осознания своего места в этом мире, однако достигнутый уровень
не позволял выработать целостную картину мира.
В VI - V вв. до н. э. при условиях, благоприятствовавших
контактам греко-римской и египетской цивилизаций, зародилось
натурфилософское учение - первонаука, рассматривавшая природу
и человека как части единого целого. Опорными парадигмами
натурфилософского мировоззрения периода античности были идеи
294
о материи и её дробности, о ее вечном движении и круговороте, о
прерывности и непрерывности явлений и вещества, конечности и
бесконечности материальных объектов, принцип целеполагания,
иерархии на Земле и в Космосе.
Эти идеи и принципы были достаточны для всеохватного
взгляда на мир и его описания. В результате сложилась
натурфилософская картина геоцентрического мира – парадигма
Аристотеля – Демокрита - Птолемея, в которой учения о человеке,
Земле и Космосе предстали в единстве и взаимосвязи.
Научное пробуждение эпохи Возрождения подготовило почву,
на которой совершилась первая научная революция в
естествознании. Начало революции было связано с принятием
гелиоцентрической системы мироустройства.
В естественных науках наибольшее развитие получили
математические
методы
исследования
разнообразных
механических движений тел. Открытие закона всемирного
тяготения, установление времени наступления затмений, описание
движения комет, исследования закономерностей движения тел на
Земле и т. п. - все это стало триумфом механики.
Применение механистических представлений и теорий для
объяснения тепловых, электрических явлений породило веру во
всемогущество механики. Механистические представления начали
проникать в исследования общественных явлений, строения и
функционирования тел человека, животных и растительности.
Прочно установилась механистическая картина мира - парадигма
Ньютона - Декарта - и метафизическая методология в научных
исследованиях.
Одной из фундаментальных парадигм, положенных в основу
механистической картины мира его создателями (Г. Галилей, И.
Ньютон, И. Кеплер и др.), явилась концепция детерминизма. Эта
концепция заключается в принятии трех базовых утверждений:
1) природа функционирует и развивается в соответствии с
имманентно присущими ей внутренними, «естественными»
законами;
2)
законы
природы
есть
выражение
необходимых
(однозначных) связей между явлениями и процессами
объективного мира;
295
3) цель науки, соответствующая ее предназначению и
возможностям, - открытие, формулирование и обоснование законов
природы.
Классики физики считали, что принятие наукой концепции
детерминизма «демаркирует» ее, с одной стороны, от религии и
мистики, признающих «свободу воли» внешних, надприродных сил
и от возможного вмешательства в ход природных процессов, а с
другой, от представлений об объективной действительности как о
хаосе, как о реальности, которой управляет «господин случай».
Высшим доказательством существования детерминизма в
природе считалось наличие в ней причинно-следственных связей.
Отыскание и формулировка причинных законов были объявлены в
Новое время высшей целью науки.
В XIX в зародился огромный интерес к исследованиям
электрических явлений, к носителям этой энергии. Стало ясно, что
превращение различных видов энергии в электрическую и
последующее ее использование гораздо экономичнее и удобнее для
передачи. Было установлено, что носителями этой энергии
выступают частицы микромира - электроны, заряженные атомы и
такие материальные субстанции, как электрические и магнитные
поля. Неразличимость этих полей и частиц на определенном
структурном уровне материи породила электромагнитную теорию
вещества,
полевую
теорию
материи
и
осуществления
взаимодействия тел, частиц на принципе близкодействия. Эта
теория и легла в основу нового взгляда на все явления природы.
Успехи электромагнитной теории вещества в объяснении
механических, тепловых, оптических и атомных, а также
химических, биологических и астрономических явлений привели к
зарождению новых взглядов на процессы и явления, происходящие
в микро- и макромире. Новая физическая картина мира получила
название электромагнитной картины мира.
Всему развитию науки присущи скачки, революционные
концептуальные изменения; стало возможным выдвижение и
принятие научным сообществом качественно несовместимых с
прежними теориями концепций, парадигм, причем в одной и той же
области, в данном случае – в физике. В первой половине XX в.
появились фундаментальные физические теории специальной и
296
общей теории относительности, квантовой теории и физики
элементарных частиц.
По отношению к классической механике Ньютона,
господствовавшей в Европе в качестве непререкаемой парадигмы
научной истины более чем 200 лет, были выдвинуты в качестве
альтернативных теории механического движения, специальная и
общая теория относительности и квантовая механика. В отличие от
классической механики, специальная теория относительности
утверждает зависимость пространственных промежутков и
временных интервалов друг от друга и от скорости движения тел
либо от скорости системы отсчета, относительно которой
измеряются пространственные и временные параметры. С точки
зрения теории относительности о пространственных и временных
свойствах тел «самих по себе» ничего определенного сказать
нельзя, а можно только по отношению к выделенной системе
отсчета. В механике Эйнштейна утверждается, что и масса тел
меняется вместе со скоростью их движения, и поэтому говорить
что-либо о массе тела «самого по себе», вне отнесенности его к
какой-либо системе отсчета, так же бессмысленно, как и в
отношении пространства и времени. Пространство, время и массу
тел Эйнштейн лишил абсолютной субстанциональности, сделав их
атрибутивными, относительными свойствами тел, значение
которых существенно зависит от системы отсчета. Причем все
наблюдатели, утверждая разные значения пространства, времени и
массы одних и тех же тел относительно своих систем отсчета,
будут одинаково правы, если не сделали ошибок в вычислениях.
Более того, в рамках общей теории относительности утверждается,
что пространственные и временные свойства событий зависят не
только друг от друга и от выбора системы отсчета (возможность
абсолютной, привилегированной системы отсчета отвергается как
внеэмпирическое допущение), но и от влияния на них других масс
или сил тяготения.
Таким образом, сам факт возникновения и принятия научным
сообществом
теории
Эйнштейна
утвердил,
во-первых,
принципиальную возможность и правомерность существования в
науке альтернативных теорий об одной и той же предметной
области, а, во-вторых, не абсолютный («объективный») характер
физических научных истин, а лишь относительный. Сама по себе
297
релятивность еще не означает утверждение субъективного
характера научного знания, а лишь отрицает его объективнотрансцендентный характер.
Другой революционный шаг в становлении неклассической
физики был связан с возникновением и утверждением квантовой
механики - другой фундаментальной парадигмы современной
физики. Если Эйнштейн разрушил веру в абсолютный характер
научного познания, в возможность абсолютно истинной научной
картины мира, то создатели квантовой механики (Бор, Гайзенберг,
Борн, де Бройль и другие) подорвали всеобщность и
непререкаемость другого фундаментального онтологического
принципа классической физики - парадигмы детерминизма,
господства в природе причинно-следственных законов, имеющих
необходимый характер. В квантовой механике выдвигается
положение о принципиально вероятностном характере поведения
любых физических тел, а не только микрообъектов, как это иногда
полагают.
Невозможность однозначного описания движения тел связана с
теми
ограничениями,
которые
накладывает
принцип
неопределенности Гейзенберга на одновременно абсолютно точное
измерение многих сопряженных величин, входящих в физические
законы. Согласно этому принципу, невозможно одновременно
точно измерить координату и скорость (или импульс) тела и тем
самым однозначно предсказать его будущее состояние. Нижняя
граница неопределенности определяется весьма небольшой
величиной - постоянной Планка, но преодолеть это значение
неопределенности нельзя в принципе.
Парадигма квантовой физики указала на относительность
понятия элементарности частиц, на изменчивость их свойств, на
вероятностный или статистический характер явлений и процессов
микромира, на квантовый характер переходов микрочастиц в
разные состояния.
Развитие таких отраслей современного научного знания, как
квантовая физика, информатика, молекулярная биология и генетика
и, наконец, синергетика, ознаменовалось явным возрастанием веса
вероятностных методов в исследовании предметов и процессов
этих наука. Сегодня все больше ученых считает, что необходимость
и случайность внутренне связаны противоречивым единством, что
298
они одинаково «первосортны» и взаимно дополняют одна другую
подобно динамическим и статистическим закономерностям, основу
которых они составляют.
Поэтому такой взгляд на мир, объяснение явлений мира исходя
из этих представлений называют квантово-релятивистской
картиной мира или парадигмой Эйнштейна - Бора.
Таким образом, согласно квантовой механике, условия
физического познания мира дают возможность описывать его
адекватно только вероятностно. Необходимые же законы,
которыми оперирует классическая наука, суть не что иное, как
огрубленное, неадекватное описание действительности, которое,
правда, часто целесообразно из прагматических соображений
(простоты), когда для многих случаев успешной практики не
требуется абсолютной точности. Квантовая механика четко
сформулировала важный философский тезис: с точки зрения
возможностей человеческого познания мир - индетерминистичен,
им управляет вероятность, а не необходимость, а в основе
вероятности неизбежно лежит множество случайных событий.
Следует подчеркнуть, что и в настоящее время не утихают
философские и научные споры о детерминизме, природе случайных
явлений, онтологическом статусе вероятности. Так же, как и много
лет назад, высказываются самые разнообразные предположения о
сущности случайных явлений и вероятности. Особенно сильны
споры по этой проблеме в физике, вероятно, потому, что
большинство представителей квантовой механики по-прежнему
считает невозможным однозначно истолковывать поведение
элементарных частиц.
Существует ряд точек зрения, объясняющих статистический
характер поведения микрообъектов:
1. Статистический характер - следствие квантовой природы
микрочастиц, объективного соотношения неопределенностей (Бор,
Гейзенберг).
2. Вероятностный характер квантовой механики обусловлен
неполным знанием микрообъектов, наличием неизвестных науке
«скрытых параметров» (Эйнштейн, Луи де Бройль, Бом, Вижье).
3. Статистический характер квантовой механики определяется
тем, что она исследует поведение не отдельных микрочастиц, а
статистических ансамблей микрочастиц (Блохинцев, Никольский).
299
Парадигма квантово-релятивистской картины мира ввела в
философию еще два принципа. Во-первых, для большинства
объектов и систем невозможно их единственное непротиворечивое
описание, поскольку многие из них обладают частично или
полностью взаимоисключающими свойствами: например, фотоны и
электроны обладают и корпускулярными, и волновыми свойствами.
Полное их описание возможно только в виде двух дополняющих
друг друга картин: волновой и корпускулярной. Свойства волны и
частицы у элементарных объектов всегда диспозиционны, а
реально они проявляют себя либо как волны, либо как корпускулы.
Как конкретно они себя проявят в каждом случае, зависит от
условий их познания, в частности от условий наблюдения с
помощью различных приборов. Во-вторых, с позиций квантовой
механики физическая истина не только относительна, но и
субъективна и объективна, поскольку условия познания
существенно влияют на результат познания и не могут быть
элиминированы из последних в принципе, как это допускала
классическая механика. И это - второй урок, преподанный
квантовой механикой.
Абстракция чисто объективного познания физической
реальности при исследовании классических объектов с большими
массами и относительно малыми скоростями полезна с
практической точки зрения (т. к. отвлекается от малых с точки
зрения макропрактики величин, значительно упрощая при этом
описание реальности), но она неверна с философскогносеологической позиции. Таким образом, философские
основания классической и неклассической механики не просто
различны, но и отрицают друг друга, т. е. несовместимы.
Важной и основополагающей парадигмой структуры
современной физической картины мира является создание
современной космологии, которая положила в фундамент своих
философских концепций распространение принципа эволюции с
живой природы на всю неживую природу, поместив начало его
действия в точку сингулярности - в момент «Большого Взрыва»,
начало образования нашей Вселенной. Более того, современная
космология не только исходит из универсального характера
действия принципа эволюции, но и вводит так называемый
антропный принцип, согласно которому эволюция Вселенной носит
300
направленный характер, и ее целью является порождение разумных
существ, в частности человека. Как показывают многочисленные
физические и математические расчеты, без допущения антропного
принципа или принципа рефлексивного характера Вселенной как
системы невозможно объяснить очень тонкий характер
согласования многих наблюдаемых фундаментальных физических
констант и законов. С точки зрения научного мышления, величина
вероятности того, что эти тонкие физические согласования имеют
случайный характер, должна быть приравнена к нулю.
Можно утверждать, что именно современная космология являет
собой начало и яркий образец того, что многие философы называют
постнеклассической наукой, приходящей на смену неклассической.
Сущность современной постнеклассической науки, действительно,
состоит в том, что она перешла к изучению сверхсложных, в
высшей степени организованных систем.
Другая фундаментальная физическая парадигма связана с
возникновением и бурной экспансией во все фундаментальные
области современной науки (механика, физика, химия, биология,
космология, техника) идей новой фундаментальной концепции синергетики. Синергетика как феномен постнеклассической науки
явилась закономерным результатом активного приникновения
системного подхода во все сферы практической деятельности,
теоретических, научных и философских исследований. Она
возникла в 50-х гг. XX в. как вполне безобидное распространение
идей классической термодинамики на описание поведения
открытых
стохастических
механических
систем
при
взаимодействии их с окружающей средой. Творцы синергетики (И.
Пригожин, Г. Хакен, С. Курдюмов и другие) обнаружили, что в
открытых диссипативных системах в целом не действуют линейные
зависимости при описании поведения отдельных элементов.
Диссипативные системы эволюционируют не постепенно, а в целом
- скачкообразно, а на самой траектории их эволюции всегда есть
выделенные точки (бифуркационные точки), где происходит
«выбор» одной из множества возможных траекторий следующего
этапа эволюции системы. В точках бифуркации выбор системой
дальнейшей траектории движения определяется случайным
образом и не связан линейной или причинной зависимостью с ее
301
предшествующими состояниями (в этих точках система как бы
«забывает» весь свой прошлый опыт).
Современная физическая картина мира, безусловно, меняет
свой концептуальный облик, переходя при описании движения и
взаимодействия своих объектов с языка линейных уравнений и
причинно-следственных зависимостей на язык нелинейности и
кооперативных, резонансных связей между объектами. Фактически
налицо новая революция в физике, по своей методологической
значимости ни в чем не уступающая появлению в свое время таких
теорий, как неевклидова геометрия, эволюционная теория Дарвина,
теория относительности и квантовая механика. Новая парадигма
современной физики - синергетика - является выражением,
обоснованием и универсализацией идеологии нелинейного
мышления в науке, основанного на признании фундаментальной и
творчески-конструктивной роли случая в мире природы,
значимость и вес которого в структуре бытия, по крайней мере, не
меньше законосообразности, а тем более - необходимости.
Квантовая механика нанесла лишь первый, и притом отнюдь не
смертельный, удар по лапласовскому детерминизму. Все попытки
построить квантовую механику на законах динамического типа
успеха не принесли. Важнейший философский вывод квантовой
физики заключается в принципиальной неопределенности
результатов измерений квантовых величин и, следовательно,
невозможности точного предсказания. В отношении отдельных
элементов такое предсказание имеет только вероятностный
характер. По-настоящему это сделала лишь синергетика, изящно и
естественно объяснив вторичность порядка по отношению к хаосу,
возможность математически обосновать происхождение первого из
второго (впрочем, откуда же и взяться порядку, как не из хаоса?).
Таким образом, в формировании современной физической
картины мира стержневую роль играет синтез следующих
фундаментальных парадигм современной физики.
Первое - это термодинамика неравновесных систем и
процессов, основной вывод которой сводится к тому, что в мире
происходит смена состояний хаоса и порядка материальных систем.
Существует самоорганизация и саморазрушение диссипативных
(рассеивающих) систем. Эту закономерность изучают в
302
интегрированной научной дисциплине синергетике, объединяющей
естественные и гуманитарные науки.
Второе - это возможное создание единой теории поля, которая
даст уровневую классификацию всех сил, всех элементарных
частиц, всех явлений и объектов природы.
Третье - это теория, связанная с изучением механизмов,
управляющих виртуальными состояниями физическою вакуума и
его превращений.
Четвертое
это
развитие
квантово-релятивистских
космологических теорий, которые дадут полную картину эволюции
материального мира, ответят на вопрос, развивается ли мир по
единому плану (алгоритму) или в нем господствует
неопределенность.
Рассмотренный нами научный анализ эволюции (смены)
физических картин мира приводит нас к известному закону о
поступательно-циклическом характере процесса познания природы.
303
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном
познании. - Махачкала, 2007.
2. Акчурин И.А. Единство естественнонаучного знания. – М.:
Наука, 1974.
3. Амбарцумян В.А., Казютинский В.В. Научные революции и
прогресс астрофизики // Вопросы философии. 1979. № 3.
4. Антология мировой философии: В 4 т. - М.: Мысль, 1969.
5. Аристотель. Сочинения: В 4 т. Т. 2. – М.: Мысль, 1975.
6. Аристотель. Сочинения: В 4 т. Т. 3. - М.: Мысль, 1981.
7. Аристотель. Физика. – М.: Соцэкгиз, 1936.
8. Арнольд В.И. Теория катастроф. - М.: Изд. Московского
университета, 1983.
9. Аршинов В.И., Курдюмов С.П., Свирский Я.И. Классическая
механика Ньютона и проблема самоорганизации в современном
научном познании // Ньютон и философские проблемы физики
ХХ века: Сборник статей / Под ред. Ахундова М.Д. и
Илларионова С.В. – М.: Наука, 1991.
10. Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности
пространства и времени. - М.: Наука, 1974.
11. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании. –
М.: Мысль, 1982.
12. Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Физика на пути к единству. – М.:
Знание, 1985.
13. Ахундов М.Д., Илларионов С.В. Методологический анализ
современного этапа развития квантовой теории поля // Методы
научного познания и физика. – М.: Наука, 1986.
14. Баженов Л.Б. Картина мира и её функции в научном
исследовании – научная картина мира. Логико-гносеологический
аспект. – М.: Наука, 1981.
15. Балашов Ю.В. Антропный космологический принцип в зеркале
критики // Философские науки. 1990. № 9.
16. Балашов Ю.В. Возможна ли эволюция фундаментальных
законов природы // Философские науки. 1989. № 2.
17. Барабашов Б.М., Нестеренко В.В. Суперструны – новый
подход к единой теории фундаментальных взаимодействий //
УФН. 1986. Т. 150. Вып. 4.
304
18. Барашенков В.С. Законы симметрии в структуре физического
знания // Физическая теория (философско-методологический
анализ). - М.: Наука, 1980.
19. Барашенков
В.С.
Существует
ли
граница
науки:
количественная неисчерпаемость материального мира. – М.:
Мысль, 1982.
20. Барашенков В.С. Элементарность и проблема структуры
микрообъектов
//
Современное
естествознание
и
материалистическая диалектика. - М., 1977.
21. Бергман П. Единые теории поля // Успехи физических наук.
1980. Т.132. Вып. 1.
22. Бергсон А. Творческая эволюция. - М.: Канон-пресс, 1998.
23. Березина Т.Н. Антропный космический принцип //
Философские науки. 1984. № 5.
24. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. - М., 1961.
25. Бор Н. Избранные научные труды: В 2 т. Т. I. - М.: Наука, 1970;
Т. II. - М.: Наука, 1971.
26. Борн М. Физика в жизни моего поколения. – М.: ИЛ, 1963.
27. Бранский В.П. Теория элементарных частиц как объект
методологического исследования. – Л.: Изд-во Ленинградского
ун-та, 1989.
28. Бляхер Е.Д., Волынская Л.М. «Картина мира» и механизмы
познания. – Душанбе, 1976.
29. Бруно Дж. О бесконечности Вселенной и мира. – М.: Соцэкгиз,
1936.
30. Буданов В.Г. О методологии синергетики // Вопросы
философии. 2006. № 5.
31. Вайнберг С. Единые теории взаимодействия элементарных
частиц // Успехи физических наук. 1976. Т. 118. Вып. 3.
32. Вайнберг С. За рубежом первых трёх минут // Успехи
физических наук. 1984. Т.134. Вып. 2.
33. Вайнберг С. Идейные основы единой теории слабых и
электромагнитных взаимодействий // Успехи физических наук.
1980. т. 132. Вып. 2.
34. Вейль Г. Симметрия. – М.: Наука, 1968.
35. Верешков Г.М., Минасян Л.А., Саченко В.П. Физический
вакуум как исходная абстракция // Философские науки. 1990.
№ 7.
305
36. Виличек Ф. Космическая асимметрия между материей и
антиматерией // Успехи физических наук. 1982. Т. 136. Вып. 1.
37. Винер Н. Кибернетика и общество. – М.: Прогресс, 1968.
38. Владимиров Ю.С. Реляционная теория пространства-времени и
взаимодействия. – М.: Изд-во МГУ, 1998.
39. Волков Г.Н. Истоки и горизонты прогресса. Социологические
проблемы развития науки и техники. - М.: Политиздат, 1976.
40. Высоцкий М.И. Суперсимметричные модели элементарных
частиц // Успехи физических наук. 1985. Т. 136. Вып. 4.
41. Вяльцев А.Н. Дисконтное пространство и время. - М.: Наука,
1965.
42. Галилей Г. Избранные труды. Беседы и математические
доказательства. – М.: Наука, 1964. Т. II.
43. Галилей Г. Избранные труды. Диалог о двух системах мира. –
М.: Наука, 1964. Т. 1.
44. Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных
частиц. - М.: Мир, 1968.
45. Гейзенберг В. Космология, элементарные частицы, симметрия
// Природа. 1969. № 12.
46. Гейзенберг В. Развитие интерпретации в квантовой теории //
Нильс Бор и развитие физике. - М., 1958.
47. Генденштейн Л.Е., Криве И.Б. Суперсимметрия в квантовой
механике // Успехи физических наук. 1986. Т. 146. Вып. 4.
48. Герштейн С.С., Логунов А.А. Единство различных сил
природы и строение элементарных частиц // Ленинское
философское наследие и современная физика. - М.: Наука, 1981.
49. Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный
принцип // Вопросы философии. 2008. № 5.
50. Гольбах П. Избранные антирелигиозные произведения. – М.,
1934.
51. Готт В.С. Материальное единство мира и единство научного
знания // Философия и современное естествознание. – М., 1982. –
Вып. 3.
52. Готт В.С., Тюхтин В.С., Чудинов Э.М. Философские проблемы
современного естествознания. - М.: Высшая школа, 1974.
53. Гриб А.А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой
теории поля. - М.: Наука, 1978.
306
54. Гриб А.А., Дамаскинский В.В., Максимов В.М. Проблема
нарушения симметрии и инвариантности вакуума в квантовой
теории поля // Успехи физических наук. 1970. Т. 102. Вып. 4.
55. Грибанов Д.П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие
теории относительности. – М.: Наука, 1987.
56. Григорьян А.Г., Вяльцев А.Н. Генрих Герц. - М.: Наука, 1968.
57. Грин Б. Суперструны // В мире науки. 1986. № 110.
58. Грин Б. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытие
размерности и поиски окончательной теории. - М.: Наука, 2004.
59. Гринберг О.У. Новый структурный уровень // Успехи
физических наук. 1987. Т. 153. Вып. 2.
60. Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени.
- М., 1969.
61. Гудков Н.А. Идея «Великого синтеза» в физике. – Киев:
Наукова думка, 1990.
62. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., Садыков Н.М. Концепции
современного естествознания. – Казахстан: Актау, 2007.
63. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного
естествознания. - М.: ИТК «Дашков и К0», 2009.
64. Глэшоу Ш. На пути к объединенной теории - нити в гобелене //
Успехи физических наук. 1980. Вып. 2. Т.132.
65. Дайсон Ф. Томонага, Швингер и Фейман – лауреаты
Нобелевской премии по физике. // Успехи физических наук.
1967. Т. 91.
66. Девис П. Суперсила. – М.: Мир, 1986.
67. Девис П. Суперсила: поиск единой теории природы. – М.: Мир,
1989.
68. Декарт Р. Избранные произведения. – М.: Госкомиздат, 1950.
69. Декарт Р. Рассуждения о методе. - М-Л., 1953.
70. Декарт Р. Сочинения – Т.2. – М.: Мысль, 1989.
71. Делез Ж., Гваттари Ф. Что такое философия? - М.-СПб., 1998.
72. Делокаров К.Х. Системная парадигма современной науки и
синергетика // Общественные науки и современность. 2000. № 6.
73. Демин В.Н. Основной принцип материализма. – М.:
Политиздат, 1983.
74. Джорджи Х. Единая теория элементарных частиц // Успехи
физических наук. 1982. Т. 132. Вып. 2.
307
75. Джорджи Х. Единая теория элементарных частиц // Успехи
физических наук. 1982. Т. 130. Вып.2.
76. Дирак П.А. Принципы квантовой механики. - М., 1979.
77. Долгов А.П., Зельдович Я.В. Космология и элементарные
частицы // Успехи физических наук. Т. 130, Вып. 2.
78. Дрюк М.А. Синергетика, позитивное знание и философский
импрессионизм // Вопросы философии. 2004. № 10.
79. Дрюк М.А. Социальная эволюция «Джон Кейнс: от прошлого к
будущему» // Вопросы философии. 2003. № 10.
80. Жог В.И., Князев В.Н. Концепция супервзаимодействия и
единство физического знания // Философские науки. 1991. № 7.
81. Зуллиев А.М., Пацхверова Л.С. Физическая картина мира. –
Махачкала, 2006.
82. Ильин В.В. Неклассическая и постнеклассическая наука //
Философия науки: Учебное пособие для вузов. - М., 2004.
83. Исаев П.С. Квантовая электродинамика в области высоких
энергий. - М.: Энергоатомиздат, 1984.
84. Казаков Л.И. Суперструны, или За пределами стандартных
представлений // Успехи физических наук. 1986. Т. 150. Вып. 4.
85. Казаков Н. Концепция самоорганизации - междисциплинарная
парадигма современной науки // Проблемы методологии
постнеклассической науки. – М.: ИФ РАН, 1992.
86. Казютинский В.В. Космология, картина и мировоззрение.
Астрономия, методология, мировоззрение. – М.: Наука, 1979.
87. Кайзер Д. Рождение космологии частиц // В мире науки. 2007.
№ 9.
88. Калуца Т. К проблеме единства физики // Сб. «Альберт
Эйнштейн и теория гравитации». - М.: Мир, 1979.
89. Кант И. Сочинения: В 6 т. Т. 1. – М.: Мысль, 1963.
90. Карнап Р. Философские основания физики. - М.: Прогресс,
1971.
91. Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический
принцип в космологии // Космология: теория и наблюдения. –
М., 1978.
92. Карцев В.П. Приключения великих уравнений. – М., 1978.
93. Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. – М.: Мир,
1990.
308
94. Клайн М. Математика. Утрата определенности. - М.: Мир,
1984.
95. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. - М.: Наука, 1989.
96. Климонтович Ю.Л. Физика открытых систем. – М., 2000.
97. Клоуз Ф. Кварки и лептоны. - М.: Мир, 1982.
98. Князев В.Н. Концепции взаимодействия в современной
физике. - М.: Прометей, 1991.
99. Князев В.Н. Философия для физики / Философия науки.
Методология и история конкретных наук. - М.: КАНОН, 2007.
100. Князева В.Н., Курдюмов С.П. Основания синергетики.
Режимы с обострением, самоорганизация, темпомиры. - СПб.:
Алатея, 2002.
101. Князева Е.Н. Случайность, которая творит мир // В поисках
нового мироведения: И. Пригожин, Е. и Н. Рерихи / Серия
«Философия и жизнь», 1991.
102. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика как новое
мировидение: диалог с И. Пригожиным // Вопросы философии.
1992. № 12.
103. Кобзарев И.Ю. Спонтанное нарушение симметрии и его
космологические следствия // Природа. 1975. № 11.
104. Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. – М.:
Атомиздат, 1980.
105. Коулмен С. Тайная симметрия: введение в теорию
спонтанного нарушения симметрии u калибровочных полей //
Квантовая теория калибровочных полей. - М.: Мир, 1977.
106. Кронин Дж. Нарушение СР-симметрии. Поиск его истоков //
Успехи физических наук. 1975. Т. 135. Вып. 2.
107. Крымский С.В., Кузнецов В.И. Характерные черты
современной картины мира // Методологический анализ
физического познания. – Киев: Наукова думка, 1986.
108. Кузнецов Б.Г. Пределы современной науки. - М.: Наука, 1983.
109. Кузнецов Б.Г. Пути физической мысли. - М.: Наука, 1969.
110. Кузнецов И.В. Взаимосвязь физических теорий // Вопросы
философии. 1963. № 6.
111. Кузнецов
И.В.
Принцип
соответствия.
Историкометодологический анализ. – М., 1979.
112. Кун Т. Структура научных революций. – М.: АСТ, 2003.
113. Кун Т. Структура научных революций. – М.: Прогресс, 1977.
309
114. Левин Т.Д. Современный релятивизм // Вопросы философии.
2008. № 8.
115. Ланцош К. Альберт Эйнштейн и строение Космоса. – М.:
Наука, 1967.
116. Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум,
элементарные частицы и Вселенная. - М., 2001.
117. Лекторский В.А. «Альтернативные миры» и проблема
непрерывности опыта // Природа научного знания. – Минск,
1979.
118. Либшер Д.Э. Причинность в теории поля и космологии //
Методологический анализ физического знания. – Киев, 1985.
119. Лима-де-Фарна. Эволюция без отбора. Автоэволюция формы
и функции. – М., 1991.
120. Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи
физических наук. 1984. Т. 144. Вып. 1.
121. Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физических
наук. 1984. Т. 144. Вып. 2.
122. Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная
космология. – М., 1990.
123. Линде А.Д. Хаотическая раздувающаяся Вселенная // Письма
в ЖЭТФ. 1983. Т. 138. Вып. 3.
124. Липкин А.И. Парадигмы, исследовательские программы и
ядро раздела науки в физике // Вопросы философии. 2006. № 6.
125. Лихачев Д.С. Через хаос к гармонии // Очерки по философии
художественного творчества. – СПб., 1999.
126. Ломсадзе Ю.М. Квантовая теория и современная
естественнонаучная картина мира // Философские науки. 1977.
№1.
127. Ломсадзе Ю.М. Логика доказательного истолкования
квантовой теории // Теория познания и современная физика. - М.,
1972.
128. Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и
реальность // УФН. 2008. Т. 178. № 3.
129. Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории
электромагнитного поля. – М., 1954.
130. Максвелл Дж.К. Трактат об электричестве и магнетизме. – М.,
1989.
310
131. Мандельштам Л.И. Лекции по оптике теории относительности
и квантовой механике. - М., 1972.
132. Марков М.А. О природе материи. - М.: Наука, 1976.
133. Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 39.
134. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая
школа, 1983.
135. Матинян
С.Г.
На
пути
объединения
слабых,
электромагнитных и сильных взаимодействий // Успехи
физических наук. 1980. Т. 130. Вып. 1.
136. Менский М.Б. Квантовая механика, сознание и мост между
двумя культурами // Вопросы философии. 2004. № 6.
137. Методологические и философские проблемы физики. - М.:
Наука, 1982.
138. Методологические проблемы теории измерений. - Киев, 1966.
139. Мизнер Ч., Торн К., Уиллер Дж. Гравитация: В 3 т. – М.: Мир,
1974. – Т. 1.
140. Мизнер Ч., Уиллер Дж. Классическая физика как геометрия //
Альберт Эйнштейн и теория. – М.: Мир, 1979.
141. Микешина Л.А. Философия науки. – М.: Изд. дом
Международного университета, 2006.
142. Микешина Л.А. Детерминация естественнонаучного познания.
– Л., 1977.
143. Михайлова Э.Н., Чанышев А.Н. Ионийская философия. - М.:
Изд-во МГУ, 1966.
144. Моисеев Н.Н. Быть или не быть человечеству. – М.: Наука,
1999.
145. Мостепаненко А.М. Философия и физическая теория. – М.:
Наука, 1978.
146. Мостепаненко А.М. Проблема существования в физике и
космологии: мировоззренческие и методологические аспекты. –
Л.: Изд. Ленинградского университета, 1987.
147. Мостепаненко А.М., Мостепаненко М.В. Концепция вакуума
в физике и философии // Природа. 1985. № 3.
148. Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. –
М.: Наука, 1984.
149. Нестеренко В.В. Релятивистские струны: от мыльных пленок
к объединению фундаментальных взаимодействий // Природа.
1986. № 11.
311
150. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных
системах. – М.: Наука, 1979.
151. Новиков И.Д. Инфляционная модель ранней Вселенной //
Вестник РАН. 2001. Т. 71. № 10.
152. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1983.
153. Новожилов Ю.А. Элементарные частицы // Структуры и
формы материи. – М.: Наука, 1967.
154. Ньютон И. Математические начала натуральной философии.
// Собр. тр. акад. А.Н. Крылова. Т. 7. - М.; Л., 1936.
155. Ньютон И. Математические начала натуральной философии /
Пер. А.Н. Крылова // «Изв. Ник. морск. академии». Вып. IV. Пг., 1915.
156. Окунь Л.Б. Современное состояние и перспективы физики
высоких энергий // Успехи физических наук. 1981. Т. 134. Вып.
1.
157. Омаров О.А., Гусейханов М.К. История и методология
физики. – М.: Изд. дом «Эко», 2005.
158. Омельяновский М.Э. Проблема элементарности частиц в
квантовой физике // Философские проблемы физики
элементарных частиц. – М.: Наука, 1964.
159. Омельяновский М.Э. Развитие оснований физики XX века и
диалектика. - М., 1984.
160. Палющев Б. Системность и структурный подход как аспекты
рационализма в познании // Проблемы методологии
постнеклассической науки. – М.: ИФ РАН, 1992.
161. Паули В. Общие принципы волновой механики. – М.: Мир,
1974. Т. 1.
162. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины
мира. - М.: Мысль, 1985.
163. Пенроуз Р. Структура пространства-времени. - М.: Мир, 1972.
164. Перминов В.Я. Проблема причинности в философии и
естествознании. -М.: Изд. МГУ, 1979.
165. Планк М. Единство физической картины мира. - М.: Наука,
1966.
166. Планк М. Сборник к столетию со дня рождения. - М., 1958.
167. Планк М. Избранные труды. – М., 1975.
168. Познер П.Р. Истины и парадоксы. – М., 1977.
312
169. Поликарпов В.С. Философия науки. – Ростов-на-Дону –
Таганрог:
Изд-во
Таганрогского
радиотехнического
университета, 2004.
170. Поппер К. Логика научного познания. – М.: Прогресс, 1983.
171. Пригожин И. Время, структура и флуктуация // Успехи
физических наук. 1980. Т. 131. Вып. 2.
172. Пригожин И. От существующего к возникающему. – М.:
Наука, 1985.
173. Пригожин И., Стингер И. Порядок из хаоса. Новый диалог
человека с природой. – М.: Прогресс, 1986.
174. Пригожин И., Изабелла Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый
диалог человека с природой. - М.: Прогресс, 1986.
175. Пятницын Б.П., Меськов В.С. Об описании дополнительности
в логических системах квантовой механики // Принцип
дополнительности и материалистическая диалектика. – М.:
Наука, 1976.
176. Раджабов
О.Р.,
Гусейханов
М.К.
Формирование
естественнонаучной картины мира. – М.: Наука, 2006.
177. Раджабов О.Р., Гусейханов М.К. Вселенная: Происхождение
и эволюция мира. - Махачкала, 1997.
178. Раджабов О.Р., Гусейханов М.К. Концепции современного
естествознания
(некоторые
аспекты
естественнонаучной
картины мира). - Махачкала: Юпитер, 1997.
179. Раджабов О.Р., Гусейханов М.К. М.: Концепции
современного естествознания. – Махачкала: Юпитер, 1999.
180. Раджабов О.Р. Основные физические идеи о природе вакуума
// Материалы общерос. и межд. научн. конф. «Фундаментальные
исследования». № 8. - М., 2006.
181. Раджабов
О.Р.,
Гусейханов
М.К.
Современная
естественнонаучная картина мира // Материалы общерос. и
межд. науч. конф.
«Современные проблемы науки
образования». № 1. – М., 2006.
182. Раджабов О.Р., Гусейханов М.К. Физические идеи о единой
теории поля // Вестник Дагестанского научного центра. Махачкала, 2007. № 28.
183. Раджабов О.Р. Формирование научной картины мира на
арабо-мусульманском востоке // Преподаватель XXI века. 2007.
№ 6.
313
184. Раджабов О.Р. Сущность и особенности становления
квантовой картины мира // Вестник Дагестанского научного
центра. – Махачкала, 2008. № 32.
185. Раджабов О.Р. Философско-методологические основы
квантовой картины мира // Гуманизация образования. 2009. № 1.
186. Раджабов О.Р. Квантово-релятивистская картина мира как
обобщение квантовой и релятивистской парадигм // Гуманизация
образования. 2009. № 2.
187. Раджабов О.Р. Проблема определения парадигмы в научном
познании и философской онтологии // Социально-гуманитарное
знание. 2009. № 5.
188. Раджабов
О.Р.
Глобальный
эволюционизм
как
методологическая основа формирования физической картины
мира ХХ в. // Преподаватель XXI века. 2009. № 1.
189. Раджабов О.Р. Парадигмы самоорганизации в нелинейной
картине мира // Гуманизация образования. 2009. № 6.
190. Рассел Б. Почему я не христианин. – М.: Политиздат, 1987.
191. Реале Дж. Антисерии Д. Западная философия от истоков до
наших дней: В 2 т. – СПб.: Наука, 1994.
192. Резеберг У. Философский атомизм и современная физика
высоких энергий // Методологические и философские проблемы
физики. - Новосибирск: Наука, 1982.
193. Ровинский Р.Е. Загадка темной энергии. // Вопросы
философии. 2004. № 12.
194. Ровинский Р.Е. Мировоззренческие проблемы физической
науки, наследуемые ХХ веком // Вопросы философии. 2008. № 3.
195. Розенталь И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная. – М.: Наука,
1987.
196. Рубаков В.А. Иерархии фундаментальных констант // УФН.
2007. Т. 177, № 4.
197. Рузавин Г.И. Синергетика и системный подход //
Философские науки. –1985. № 5.
198. Румер Ю.Б., Фет А.И. Теория унитарной симметрии. - М.:
Наука, 1970.
199. Румлянский П.М. Методологические принципы физики в
системе развивающегося знания. - Кишинёв: Штиинца, 1986.
200. Салам А. Калибровочное объединение фундаментальных сил
// Успехи физических наук. 1984. Т.132. Вып. 2.
314
201. Салам А. Последний замысел Эйнштейна: объединение
фундаментальных взаимодействий и свойств пространствавремени // Современная теория элементарных частиц. - М.:
Наука, 1984.
202. Сачков Ю.В. Конструктивная роль случая // Вопросы
философии. 1988. № 5.
203. Спасский Б.И. История физики. – М.: Высшая школа, 1977.
204. Спенсер Г. Основные начала // Спенсер Г. Собр. соч. - СПб.,
1867. Т. 5.
205. Степин
В.С.
Саморазвивающиеся
системы
и
постнеклассическая рациональность // Вопросы философии.
2003. № 8.
206. Степин В.С. Становление научной теории. - Минск: Изд-во
БГУ, 1976.
207. Степин В.С. Теоретическое знание. – М.: Прогресс-традиция,
2000.
208. Тарароев Я.В. Современная космология – взгляд извне //
Вопросы философии. 2006. № 2.
209. Тарароев Я.В. О двух онтологических парадигмах в генезии
оснований физического знания // Вопросы философии. 2008. №
12.
210. Тейлор Дж. Калибровочные теории слабых взаимодействий. –
М.: Мир, 1985.
211. Томпсон М. Философия науки. - М.: Фар-Пресс, 2003.
212. Тоннела М.А. Обновление понятия относительности в физике
Эйнштейна // Эйнштейновский сборник. – М.: Наука, 1966.
213. Тредер Ю. Относительность инерции. – М.: Атомиздат, 1975.
214. Уиллер Дж. Гравитация, нейтрино и Вселенная. - М.:
ИНОГИЗ, 1962.
215. Уиллер Дж. Предвидение Эйнштейна. – М.: Мир, 1970.
216. Философские проблемы естествознания. – М.: Высшая школа,
1985.
217. Философия науки / Под ред. С.А. Лебедева. – М.: Трикста,
2004.
218. Фок В.А. Квантовая физика и философские проблемы. - М.,
1964.
219. Фок В.А. Квантовая физика и философские проблемы //
Вопросы философии. 1970. № 4.
315
220. Фролов И.Т., Юдин Б.Г. Этика науки: Проблемы и дискуссии.
- М.: Наука, 1986.
221. Хайдеггер М. Время и бытие. – М.: Прогресс, 1993.
222. Хайтун С.Д. Феномен «избыточности» мозга, генома и других
развитых органических и социальных структур // Вопросы
философии. 2003. № 3.
223. Хайтун С.Д. Фундаментальная сущность эволюции //
Вопросы философии. 2001. № 2.
224. Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Вопросы философии.
2004. № 10.
225. Хакен Г. Синергетика. – М.: Мир, 1980.
226. Хильми Г.Ф. Хаос и жизнь // Населенный Космос. – М.: Мир,
1972.
227. Хоукинг С. От «Большого Взрыва» до Черных дыр. Краткая
история времени. – М.: Мир, 1990.
228. Чемберс Р. Естественная история мироздания. 1863
(Анонимное издание).
229. Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение //
УФН. 2008. Т. 178. № 3.
230. Цехмистро И.З. Поиски квантовой концепции физических
оснований сознания. - Харьков, 1981.
231. Пьер Тейер де Шарден. Феномен человека. – М.: Наука, 1987.
232. Шипов Г.И. Теория физического вакуума – М.: Атомиздат,
1993.
233. Эйген
М. Самоорганизация
материи
и
эволюция
биологических макромолекул. - М.: Мир, 1973. – 286 с.
234. Молекулярная самоорганизация и ранние стадии эволюции //
Успехи физических наук. 1973. Т. 109.
235. Эйнштейн А. Основные идеи и проблемы теории
относительности // Собрание научных трудов. - М.: Наука, 1968.
– Т. II.
236. Эйнштейн А. Сборник научных трудов: В 4 т. – М.: Наука,
1965.
237. Эйнштейн А. Собрание научных трудов: в 4-х т. – М.:
Физматгиз, 1967.
238. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М.: Наука,
1965.
316
239. Элентух И.П. Целостность методологического анализа
фундаментальных проблем конкретных наук. – Томск, 1989.
240. Янг Ч. Эйнштейн и физика второй половины ХХ века //
Успехи физических наук. 1980. Т. 132.
241. Яшин Б.Л. Диалектическое единство симметрии асимметрии и
его роль в научном познании // Диалектический материализм и
философские вопросы естествознания. - М.: Наука, 1987.
242. Ambarzumian V., Jwanenko D. Zur Frage nach Vermeidung der
unendlichen Selbstruckwirkung des Electrons // Zeitschrift fыr
Physik. 1930. Bd. 64.
243. Barrow J.D., Tippler F.J. The Antropic Cosmological principle. –
Oxford, 1986. – P. 22.
244. Bertlaffy HFn Outline of General System // British Journal for
Philasophy of Science. 1950. V. 1. N 2.
245. Copernic N. De revolutionibus orbium coelestium. - Paris, 1934.
246. Davis J.J. The design argument, cosmic “finetuning” and the
antropic principle // Journal philosophy of religion-Dordrecht, 1987.
Vol. 22.
247. Haken H. Synergetics: anoverview // Rep. Progr. Phes. 1989. V.
52. – P. 515-553.
248. Hartle J.B., Hawking S.W. Wave function of the Universe //
Physical review. – 1983. – Vol. 28 D. – N 12.
249. Haszlo Y. The Whispering Pound A Personal Guide to the
emerging Vision of Science. Rockport Ma, 1996.
250. Jantsch E. The Seif-Organizing Universe; Scientific and Human
Implications of Emerging Paradigm of Evolution. - New York, 1980.
251. Jumarie G.A. Relativistic information approach to the structural
dynamics
of general Systems // Cubernetica. 1976. Vol. 19 - N4.
252. Kanitsheidier B. Explanation in physical cosmology // Erkenntnlis.
1985. Vol. 22. - № 1/3.
253. Kepler I. Opera omnia. Frankfurt, 1858.
254. Perlmutter S. et. al. // Astrophysics. J. 517565. 1999.
255. Riess A.G. et. al. // Astronomy. J. 116. 1009. 1998.
256. Wheeler J.A. On recognizing “law without law” // Am. J. Physics.
– 1983. Vol. 51. N 5.
257. Wussing H. Die Genesis abstrakten Gruppenbegriffes. - Berlin,
1969.
317
Научное издание
Раджабов Осман Раджабович
Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической
и постнеклассической рациональности
Монография
Подп. к печ.
Подписано в печать с оригинал –макета 15.09.2010.
Формат 60х90 1/16. Гарнитура “Times”.
Печать офсетная.
Усл. Печ 20. Л. Уч.-изд.л. 20
Тираж 1000 экз. Тип. Зак.
ГНО Издательство «Прометей» МПГУ
Лицензия №020457 от 22 июля 1997г.
129164, Москва, ул. Кибальчича, д.6.стр. 2
Тел.: (495) 683-15-65, 683-53-60
E-mail: [email protected]
Формат 60х84. 1/16. Печать ризографная. Бумага № 1. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. – 20 изд. печ. л. – 20. Заказ – 822 – 12. Тираж 1000 экз.
Отпечатано в ООО «Деловой мир»
Махачкала, ул. Коркмасова, 35б
318