Задать вопрос юристу

  2.1.2. Онтологические проблемы физики  

Основной функцией науки, определяющей все остальные, в том числе и социальные, является приобретение фундаментальных знаний о реальности, ее наиболее фундаментальных объектах и законах их взаимосвязи. Естественно, далеко не каждая область научного исследования, как и не каждый ученый в своей повседневной работе, выходит на изучение базовых принципов сущего, тем не менее именно эти принципы и являются «завет- ной мечтой» науки в целом.
При этом в развитии как отдельных наук, так и всего естествознания в целом особую роль играют обобщенные схемы — образы предмета исследования, в которых фиксируются основные системные характеристики изучаемой реальности. В философии наиболее общие сущности и категории сущего изучает онтология, учение о бытии как таковом. В некоем специфическом значении мы можем говорить и об онтологии физического знания, где посредством ряда принципов эксплицируется картина исследуемой реальности, создается физическая картина мира.
Как отмечает B.C. Степин, в научных картинах мира, частным случаем которых выступает физическая картина мира, «обобщенная характеристика предмета исследования вводится... посредством представлений (1) о фундаментальных объектах, на которых полагаются построенными все другие объекты, изучаемые соответствующей наукой, (2) о типологии изучаемых объектов, (3) об общих закономерностях их взаимодействия, (4) о про- странственно-временной структуре реальности»[48]. Картина мира является основанием научных теорий, обеспечивает систематизацию знаний в рамках соответствующей науки, «функционирует в качестве исследовательской программы, которая целенаправляет постановку задач как эмпирического, так и теоретического поиска и выбор средств их решения»[49].
Базисная онтология теории — это несводимый концептуальный элемент в логической реконструкции реальности в рамках этой теории. В противовес видимости или эпифеноменам, а также в отличие от просто эвристических или конвенциальных средств теории такая онтология касается реального существования. В качестве репрезентации глубокой реальности онтология теории обладает большой объясняющей силой: все явления и феномены, описываемые теорией, могут быть выведены из нее как результат ее поведения.
С развитием естествознания происходит изменение видения предметных областей конкретных наук, что порождает эволюцию естественно-научной картины мира, приводит к пересмотру ранее сложившихся представлений о действительности. Изменение картины мира — сложный и неоднозначный процесс. Каждая из конкретно-исторических форм картины исследуемой реальности реализуется в целом ряде модификаций, выражающих основные этапы развития научных знаний. Возникновение новых представлений о реальности и их последующее вхождение в картину мира предполагает конкуренцию целого ряда альтернативных исследовательских программ, что неоднократно наблюдалось на всем протяжении истории развития науки.
В физическом познании в качестве примера можно привести борьбу декартовской и ньютоновской концепций природы в рамках механисти- ческой картины мира. В рамках электродинамической картины мира долгое время конкурировали программа Ампера—Вебера, с одной стороны, и программа Фарадея—Максвелла — с другой. Новые картины реальности выдвигаются первоначально как гипотезы. Такая гипотеза может сосуществовать долгое время наряду с прежней картиной реальности, пока не пройдет долгий процесс своего обоснования. С течением времени происходит «коренная ломка» старых представлений, возникает и начинает работать новая картина мира.
В развитии физического знания выделяют механистическую, электромагнитную и квантово-релятивистскую картины мира. Механистическая картина мира сложилась при переходе от эпохи Возрождения к эпохе Нового времени. Важнейшую роль в ее построении сыграли такие философские принципы, как принцип материального единства мира, исключающий средневековое разделение на мир небесный и мир земной, принцип причинности и законосообразности природных процессов. В это же время был сформулирован принцип экспериментального обоснования знания, отказ от созерцательности и установка на соединение экспериментального исследования природы с описанием ее законов на языке математики. Последнее положение стало одним из ключевых, резко отграничив науку Нового времени от средневековой науки.
Наиболее общие онтологические представления находят свое отражение в представлениях более частного порядка. Например, принцип единства мира оказался тесно связанным с концепцией абсолютного пространства и времени и их однородности. Среди онтологических принципов, посредством которых эксплицировалась картина реальности в эпоху господства механистической картины мира, можно назвать следующие: мир состоит из неделимых корпускул; их взаимодействие осуществляется как мгновенная передача сил по прямой; тела, образованные из корпускул, перемещаются в абсолютном пространстве с течением абсолютного времени. В свою очередь, эти положения находят свое выражение в более частных теоретических схемах. В той же механистической картине мира таким абстракциям, как «неделимая корпускула», «мгновенное взаимодействие между телами по прямой, меняющее их состояние движения», «абсолютные пространство и время», соответствуют следующие конструкты теоретической схемы: «система материальных точек», «сила», «инерциальная система отсчета». Механистическая картина мира, сложившаяся во второй половине XVII в., господствовала в науке до появления электродинамической картины мира (последняя четверть XIX в.).
В XIX в. к числу основных свойств, описывающих тела наряду с массой, стали добавлять такую характеристику, как электрический заряд. Английскому физику М. Фарадею опытным путем удалось показать, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, вве- дя понятие электромагнитного поля. Немаловажную роль при этом сыграла философская убежденность Фарадея в единстве материи и силы. Его экспериментальные исследования подтвердили, что электричество и магнетизм передаются в пространстве не мгновенно по прямой, а по линиям различной конфигурации от точки к точке. Эти линии, заполняя пространство вокруг зарядов и источников магнетизма, воздействовали на заряженные тела. Как подчеркивал Фарадей, силы не могут существовать в отрыве от материи, поэтому линии сил необходимо связать с материей и рассматривать ее как особую субстанцию. Так сложилась концепция поля, ставшая фундаментальной в последующей физике.
Понятие поля в конце XIX в. было тесно связано с концепцией эфира, которую можно рассматривать в качестве своеобразного «рудимента» механистической картины мира. Эфир трактовался как непрерывная механическая среда, заполняющая все пространство. Возмущения этой среды рассматривались как электромагнитное поле. С эфиром ассоциировалось понятие выделенной системы отсчета, тесно связанной с понятием абсолютного пространства.
Опыт Майкельсона—Морли не подтвердил концепцию эфира, что привело к появлению и утверждению теории относительности, радикально пересмотревшей понятия пространства и времени. Сформировалась релятивистская картина мира. На смену абсолютному пространству и абсолютному времени, своеобразной неподвижной «сцене», на которой разыгрывались физические явления, пришло совершенно иное понимание пространства и времени. Оказалось, что свойства пространства-времени не абсолютны, они не являются сущностями, «сущими сами по себе», их свойства тесно связаны друг с другом, и мы вправе говорить о едином четырехмерном пространстве-времени. В специальной теории относительности конкретные свойства пространства и времени (наблюдаемые расстояния и промежутки времени) зависят от выбора инерциальной системы отсчета, а в общей теории относительности — и от распределения масс вещества.
Еще более радикальными, кардинально изменившими наши понятия о веществе и его движении, стали квантовые представления. Квантовая механика сформировалась при изучении свойств объектов микромира — атомов и составляющих его частиц. Необычными оказались представления о так называемом корпускулярно-волновом дуализме в поведении микрочастиц. Это свойство микрообъектов не имеет аналогов в привычном для нас мире. Оказалось, что частицы вещества проявляют волновые свойства и, наоборот, свет, рассматривавшийся всегда с волновой точки зрения, проявляет при излучении и поглощении корпускулярные свойства. Последовательное развитие идей квантовой механики привело к тому, что движение частиц в пространстве стало невозможно отождествлять с механическим движением макрообъекта. Частице вообще нельзя при- писать определенную координату, ее движение описывается своеобразной волновой функцией, амплитудами волн вероятности. В соответствии с этим мы можем найти лишь вероятность нахождения частицы вблизи данной точки пространства, причем выполняется один из наиболее фундаментальных принципов квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга: чем более точно известно положение частицы, тем более неопределенным становится ее импульс, и наоборот.
Еще более необычным представляется принцип дополнительности Н. Бора. Кратко и емко этот принцип сформулирован его учеником Дж.А. Уилером: «Никакой квантовый феномен не может считаться таковым, пока он не является наблюдаемым (регистрируемым) феноменом»[50]. Суть этого положения состоит в том, что свойства микрообъектов проявляются в зависимости от экспериментального окружения: в одних условиях электрон будет проявлять волновые свойства, в других — корпускулярные. По Бору, мы даже не вправе говорить о свойствах электрона до его наблюдения, о его существовании «самом по себе», что ставит целый ряд философских вопросов, таких, как вопросы о наблюдаемости объекта, субъект-объектных отношениях и другие, которые приводят к различным интерпретациям квантовой механики.
В современной физике квантовые и релятивистские представления синтезированы в единую картину мира, что позволяет говорить о кванто- во-релятивистской картине мира. В ней, точнее в квантовой теории поля, где, собственно, и объединены квантовые и релятивистские представления, фундаментальными абстракциями являются понятия частиц и полей, переносчиков взаимодействий. Такое разделение соответствует традиционному разделению материи, сложившемуся уже к концу XIX в., на вещество и поле. Вещество при этом рассматривается «сложенным» из элементарных «кирпичиков». Долгое время, практически до начала XX в., в качестве таких «кирпичиков» мироздания рассматривались атомы (от греч. atomos — неделимый), наименьшие частички химических элементов, являющихся носителем свойств этих элементов. Однако целый ряд открытий опровергли представления о неизменности атома. В 1903 г. Э. Резерфордом и Ф. Содди радиоактивность была объяснена превращением химических элементов. Позднее на основе изучения рассеяния а-частиц на атомах тяжелых элементов в 1911 г. Резерфорд предложил планетарную модель атома, состоящего из ядра и окружающих его электронов.
Результатом общих успехов в изучении строения вещества, прежде всего атомного ядра, стало формирование понятия элементарных частиц. Под ними первоначально подразумевались простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, из которых состоит вся материя. В настоящее время ма- ло кто из физиков сомневается, что большинство частиц имеет структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать. Все частицы участвуют в тех или иных взаимодействиях, переносчиком которых, по современным представлениям, являются поля.
Понятие поля было сформулировано, как мы уже упоминали, Фарадеем при изучении электрических и магнитных явлений. Концепция ПОЛЯ явилась возрождением концепции близкодействия, восходящей к идеям Р. Декарта (первая половина XVII в.). В механистической картине мира существовало представление о дальнодействии, согласно которому взаимодействие между объектами осуществляется мгновенно, через пустое пространство, которое само не участвует в передаче взаимодействия. С открытием поля на смену концепции дальнодействия пришла идея близкодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Частицы, участвующие во взаимодействии, создают в каждой точке пространства особое состояние — поле сил, которое проявляется в воздействии на другие частицы, находящиеся в любой другой точке пространства. До появления специальной теории относительности (СТО) поле интерпретировалось, как отмечалось выше, в механистическом духе, как упругое напряжение гипотетической среды — «эфира». СТО отвергла «эфир» как особую среду и придала идее поля фундаментальный смысл.
Частицы и поля в классической физике считались различными видами материи, тесно связанными друг с другом, хотя и резко различающимися по своим свойствам. Частицы рассматривались как дискретные, локальные образования в пространстве, которым присуще конечное число степеней свободы. Поля же, в отличие от частиц, характеризовались непрерывностью распространения в пространстве и бесконечным числом степеней свободы. Обе формы материи обладают такими характеристиками, как масса, энергия и импульс.
В современной физике с появлением квантовой теории, точнее корпускулярно-волнового дуализма, резкое разделение материи на поля и частицы потеряло свой смысл. Еще в начале XX в. в работах М. Планка и А. Эйнштейна было показано, что свет поглощается и излучается порциями, квантами света, названными позднее фотонами. В современной квантовой теории показано, что энергия и импульс поля изменяются дискретным образом, так что им всегда можно сопоставить определенные частицы (электромагнитному полю — фотоны, гравитационному — гравитоны и т.д.). А это означает: классическое описание поля (в отличие от описания частиц) непрерывными функциями является лишь приближением, имеющим свою определенную область применения. Более того, в квантовой механике доказывается, что любую систему взаимодействующих частиц можно описать с помощью некоторого квантового поля. Следовательно, не только каждому полю соответствуют определенные частицы, но и всем частицам — квантовые поля. Этот факт и является выражением корпуску- лярно-волнового дуализма материи.
Несмотря на дуализм такого рода, разделение материи на вещество и поле не потеряло свой смысл. Дело в том, что частицы вещества и кванты полей описываются различными квантовыми статистиками и ведут себя совершенно различным образом. Каждая частица в квантовой механике обладает особым квантовым числом — спином, характеризующим внутренний вращательный момент частицы. Спин может быть целым (включая нулевой) или полуцелым. Так, фотоны, глюоны, хиггсовские бозоны и другие частицы, переносящие известные физические взаимодействия, имеют спин, равный единице или нулю. Гипотетические гравитоны обладают спином, равным двум. Частицы такого рода называются бозонами.
Электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, составляющие вещество (атомы, молекулы и т.д.), имеют полуцелый спин и называются фермионами. Фермионы, или частицы вещества, подчиняются статистике Ферми—Дирака, для которой справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым любые две тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Все кванты полей являются бозе-частицами и подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, где принцип запрета Паули не справедлив: в одном и том же состоянии может находиться любое количество бозе-частиц.
Поля, а точнее взаимодействия элементарных частиц, делят феноменологически на несколько классов: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное является самым интенсивным из всех известных взаимодействий и приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц. Именно оно отвечает за связь нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие обусловливает взаимодействие элементарных частиц с электромагнитным полем и характеризуется меньшей интенсивностью по сравнению с сильным. Его носителем является фотон — квант электромагнитного поля, элементарная частица, не имеющая массы покоя. Слабое взаимодействие связано с распадом элементарных частиц, в частности с распадом квазистабильных частиц, время жизни которых находится в пределах 10"^—10~ с. Это взаимодействие вызывает превращение в атомном ядре нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.
Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех взаимодействий и присуще абсолютно всем частицам. Радиус его действия (как и электромагнитного) не ограничен. Именно оно имеет решающее значение для крупномасштабного строения Вселенной.
Фундаментальной задачей современной физики является создание единой теории всех физических взаимодействий и частиц. Создание такой теории базируется на трех основных физических идеях, рассматриваемых в настоящее время как наиболее фундаментальные. Речь идет о калибровочной природе всех физических взаимодействий, о лептонно- кварковом структурном уровне в строении вещества и спонтанном нарушении симметрии первичного вакуума.
В современной теории поля укоренилось представление, что каждому типу взаимодействий соответствует некоторая группа симметрий, а поля—переносчики взаимодействий трактуются как нарушения этих симметрий. В этом и состоит основная идея калибровочного подхода. Как известно, каждый тип элементарных частиц характеризуется своим специфическим законом сохранения. В свою очередь, как показывается в теоретической физике, каждый из законов сохранения является проявлением определенного вида симметрии. Существуют «внутренние» симметрии, не связанные с преобразованиями реального пространства- времени. Требование инвариантности законов природы при локальных, т.е. зависящих от пространственных координат, преобразованиях, связанных с этими симметриями, приводит к тому, что в уравнения движения частиц приходится вводить компенсирующие добавки, которые и описывают взаимодействие частиц.
Примечательной особенностью современного подхода в теории поля является то, что все поля (а вместе с тем и частицы) оказываются определенными геометрическими объектами. Так, адекватным математическим аппаратом теории калибровочных полей служит теория так называемых расслоенных пространств. «Слоями» (с которыми и связаны те или иные внутренние симметрии) являются различные дополнительные пространства, связанные с обычным пространством-временем, которое рассматривается как «базовое пространство», или «базовая поверхность». К этой поверхности могут быть построены дополнительные пространства: касательные плоскости, нормали, какие-либо другие геометрические структуры. Расслоенное пространство и есть совокупность всех слоев, находящихся в определенном отношении друг с другом.
Если базовое пространство искривлено (каковым, например, и является наше пространство-время с точки зрения общей теории относительности), то с каждой точкой такого пространства можно сопоставить свои слои, которые, в свою очередь, связаны друг с другом определенными отношениями и описываются так называемыми «связностями» расслоенных пространств. Оказалось, что калибровочные поля (например, фотоны, т.е. электромагнитное поле) описываются связностью расслоенных пространств. Поля, характеризующие частицы-источники (например, электроны), описываются сечениями расслоенного пространства. Внутренняя симметрия, локализация которой и «порождает» калибровочные поля, является группой симметрии слоя.
Классификация взаимодействий тесно связана с классификацией частиц. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, и это число продолжает непрерывно расти. По современным представлениям, все частицы можно свести к относительно небольшому количеству «истинно» элементарных частиц, своего рода «кирпичиков» мироздания. Оказалось, что сильно взаимодействующие частицы адроны состоят из относительно небольшого числа кварков — первичных, «бесструктурных», по современным представлениям, частиц. Лептоны (электроны, мюоны, тяжелые леп- тоны — т-лептоны) являются также бесструктурными частицами. Взаимодействия осуществляются посредством квантов соответствующих полей.
Все окружающее нас вещество построено из частиц четырех типов. Это протоны и нейтроны (их общее название — нуклоны), входящие в состав атомных ядер, электроны и нейтрино (последние возникают при распаде бета-активных ядер).
Электроны в атомах связаны с ядром электромагнитными силами, нуклоны внутри ядра — сильным взаимодействием, а распад нейтрона, как и аналогичный распад внутриядерного протона, обусловлен слабыми взаимодействиями.
В рамках так называемой стандартной модели физики элементарных частиц (СМ) показывается, что нуклоны состоят из кварков двух типов, которые обозначают обычно и и d. В таблицах элементарных частиц кварк и обычно занимает верхнюю строчку и называется «верхним» (от англ. up), а кварк d — нижнюю и называется «нижним» (down). Примечательно то, что кварки имеют дробный электрический заряд в единицах
2 1
заряда электрона: = — у Ы и = — у UI • Соответствующие структурные формулы протона и нейтрона имеют вид: р = uud и п = udd. Как видно, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, однако принцип запрета Паули не нарушается, так как кроме электрического заряда кварки обладают специфическим «сильным» зарядом, который называется «цветом». Такое название он получил по аналогии с обычными цветами для того, чтобы подчеркнуть, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным. Соответственно различают три типа («цвета») сильных зарядов — красный (г), желтый (у) и зеленый (g).
Экспериментальные данные подтверждают, что частиц на самом деле гораздо больше и существует два дополнительных семейства частиц. Эти семейства (их называют еще поколениями) также состоят из кварков — аналогов и и d («очарованные» (5) и «странные (Ь) кварки), заряженных лептонов — аналогов электрона (мюон и т-лептон) и двух типов нейтрино — аналогов ve (соответственно — мюонное нейтрино и х-нейтрино).
Частицы второго и третьего поколений рассматривают обычно как возбужденные состояния частиц первого поколения. Сходство этих поколений состоит в том, что они совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях.
Различие же проявляется в том, что массы частиц второго поколения систематически выше масс частиц пер- вого поколения. То же самое можно сказать и об отношении масс третьего и второго поколений.
Стандартная модель (СМ) кроме частиц вещества включает в себя также кванты полей, переносчиков соответствующих взаимодействий. Фотоны (у) осуществляют электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами. Масса покоя фотона равна нулю, так же как и его электрический заряд.
Переносчиками слабого взаимодействия выступают так называемые промежуточные векторные бозоны, две заряженные частицы — W^, W~ и одна нейтральная Z0. Они обладают значительной массой, в связи с чем слабое взаимодействие является короткодействующим в отличие от электромагнитного.
Кванты полей, переносящих сильное взаимодействие, называются глюонами (от англ, glue — клей). Глюоны «склеивают» между собой кварки, осуществляя их так называемый конфайнмент (англ. confinement — пленение). Конфайнмент демонстрирует то необычное обстоятельство, что кварки никогда не наблюдаются в свободном состоянии, они всегда находятся «в плену», заключены внутри адронов. Их масса равна нулю, но, в отличие от фотонов, они несут на себе двойной цветной заряд. Анализ показывает, что имеется восемь типов глюонов. То обстоятельство, что глюоны несут на себе цветной заряд, приводит к интересному следствию: они сильно взаимодействуют не только с кварками, но также и между собой. Поэтому глюонное поле совсем не похоже на фотонное, оно является нелинейным, что приводит к серьезным трудностям в его описании.
Предположительно переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон. Однако его существование пока экспериментально не установлено, как и не построена квантовая теория гравитации, из которой и следует его существование.
Все взаимодействия характеризуются силой, определяемой величиной заряда соответствующего взаимодействия. Их относительные силы, если взять за единицу константу связи сильного взаимодействия, соотносятся следующим образом:
ks\ke:kv:kg = 1:(1/137): 10~5:10~39,
где ks — константа связи сильного взаимодействия, ке — константа связи электромагнитного взаимодействия, kw — константа связи слабого взаимодействия и kg — константа связи гравитационного взаимодействия.
Данные константы связи вовсе не являются постоянными и зависят от энергии взаимодействующих частиц. Предполагается, что константы связи с ростом энергии взаимодействия растут и сливаются при больших энергиях. Это обстоятельство стимулирует поиски единой теории всех физических взаимодействий — единой теории поля. В настоящее время построена и подтверждена экспериментально лишь единая теория электро- магнитных и слабых взаимодействий (С. Вайнберг, А. Салам, Ш. Глэшоу — 1967) — теория электрослабых взаимодействий. Существует также теория, объединяющая в единое поле сильное и электрослабое поля. Она предсказывает несохранение барионного заряда и как следствие — спонтанный распад протона (со временем жизни порядка Ю30—1032 лет), ряд других эффектов, которые пока экспериментально никак не подтверждены.
В создании единой теории поля, как отмечалось выше, ключевую роль играет идея спонтанного нарушения вакуума. Вакуум в современной физике не абсолютное ничто, как представлялось ранее, а некоторое низшее состояние квантованных полей, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных частиц. Классический вакуум (полное отсутствие поля), по сути, означает наличие определенных (равных нулю) значений полевых динамических переменных. Квантовый же принцип неопределенности говорит о невозможности для квантовых полей иметь в фиксированной точке пространства одновременно нулевое значение некоторой переменной и ее нулевую скорость изменения. Это и порождает специфическое свойство квантованных полей — их нулевые колебания, принципиально не устранимое своеобразное «дрожание», которое зафиксировано экспериментально. Вакуумные флуктуации (нулевые колебания) существуют в каждой точке пространства и могут взаимодействовать с любыми элементарными частицами.
В современной физике понятие вакуума стало одним из основных в том смысле, что его свойства определяют свойства всех остальных состояний. Частицы и поля являются в некотором смысле лишь «модификацией» вакуума, а сами их свойства определяются взаимодействием с самим вакуумом, структуры, их породившей. Вакуум, по современным представлениям, обладает сложной структурой, и структура эта тесно связана с теорией расслоенных пространств. Элементы материи, частицы, рассматриваются как возбуждения вакуума. Сами по себе вакуумные флуктуации нестабильны, однако стабилизируются при взаимодействии с кварковыми структурами. Именно так образуются реальные мезоны и барионы. Это и означает, что вакуум можно считать системой, порождающей материю. Ключевым понятием при таком подходе становится понятие спонтанного нарушения симметрии.
Идея спонтанного нарушения симметрии вакуума означает отход от представления о вакууме, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно нулю. Оказывается, что могут существовать состояния с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей. Неустойчивость и, как следствие, спонтанное нарушение симметрии вакуума, своеобразная его «деформация» приводит к существованию вакуумного конденсата — состояния с отличным от нуля вакуумным средним. Вакуум в этом состоянии имеет вполне определенные энергетические характеристики, и это состояние следует рас- сматривать как материальный объект. Оно называется хиггсовским конденсатом (ХК), по имени Хиггса, впервые предложившего идею спонтанного нарушения симметрии. Как показывает теория, могут существовать и коллективные возбуждения ХК. Кванты этих возбуждений называют хиггсовскими бозонами (ХБ).
В задаче экспериментального обнаружения ХБ состоит первая и основная проблема стандартной модели (СМ). Ее решение планируется осуществить в ближайшие 10 лет на крупнейших ускорителях. Свойства ХБ несут уникальную информацию о свойствах самого вакуумного конденсата и его функциях, одной из которых является формирование масс покоя всех элементарных частиц. Обнаружение ХБ — ключевое событие, необходимое для подтверждения всех изложенных концепций современной теории фундаментальных взаимодействий.
Другой проблемой СМ является обоснование количества известных поколений частиц, выяснение природы их сходств и различий. Сходство заключается в том, что частицы всех поколений совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях. Различие же, в частности, состоит в упомянутом выше расщеплении их спектра масс: частицы второго и третьего поколений имеют более высокое значение масс. В рамках существующей теории это объясняется на основании гипотезы о различной интенсивности взаимодействий частиц разных поколений с изначальным ХК. В целом такая гипотеза представляется достаточно искусственной. Частицы, которые в принципе тождественны во всех отношениях, по какой- то причине по-разному взаимодействуют с одним и тем же конденсатом. Очевидно, в этом проявляется неполнота наших знаний о вакууме.
Третья принципиальная проблема СМ — это выделенный статус нейтрино. В настоящее время накопилось достаточно много экспериментальных данных, говорящих в пользу того, что нейтрино обладают очень маленькой (но все же отличной от нуля) массой. Численные оценки показывают, что они лежат в интервале от 1 до 10 эВ, что примерно в 10 тыс. раз меньше ближайшей к ним массы электрона и в 10 млрд раз легче самого тяжелого т-кварка. Необходимо понять, в чем состоит физическая причина столь сильного различия масс элементарных частиц. Вопрос этот представляется тем более острым, что в рамках существующей теории нет никаких причин, запрещающих нейтрино иметь те же величины массы, что и другие частицы. Эксперимент заставляет вводить в теорию некий малый параметр, связанный с массой нейтрино, резко отделяющий их от других частиц в спектре масс своего поколения. В настоящее время мы просто не знаем причин появления столь малого параметра.
Рассмотрение этих проблем требует либо включения в теорию более сложных и пока неизвестных вакуумных структур, либо принципиального выхода за рамки СМ, и даже пересмотр тех принципиальных оснований, на которых она строилась.
Здесь мы напрямую сталкиваемся с философскими проблемами современной физики, а именно — с проблемой онтологического статуса объектов, рассматриваемых в теории. Частицы и поля, возникающие в теории, предполагаются существующими в природе, что вовсе не очевидно. В качестве примеров можно привести так называемые виртуальные частицы, а также хиггсовский бозон. Рассмотрим пример виртуальных частиц.
В квантовой теории, точнее в теории взаимодействия частиц, само взаимодействие представляется как обмен промежуточными — виртуальными — частицами (ВЧ). Это теоретические объекты, в связи с которыми в свое время обсуждалась проблема физической реальности. ВЧ — объекты в современной квантовой теории поля, наделенные всеми характеристиками, что и реальные, «физические» частицы, но не удовлетворяющие некоторым существенным условиям и ограничениям, накладываемым на характеристики реальных частиц.
Процессы обмена ВЧ изображаются в импульсном представлении так называемыми диаграммами Фейнмана. Сами взаимодействующие частицы изображаются на этих диаграммах сплошными линиями, частицы, переносящие взаимодействия, — пунктирными. Существует бесконечное множество диаграмм, содержащих все возможные варианты взаимодействия исходных частиц с промежуточными, как и промежуточных друг с другом.
Виртуальные частицы описываются во многих своих аспектах как обычные элементарные частицы, т.е. они обладают различными типами зарядов, спином и т.д. Однако есть и существенные отличия. Имеется два различных типа интерпретации виртуальных частиц. Первая трактовка заключается в том, что в процессе рождения виртуальной частицы не выполняется закон сохранения энергии, т.е. имеет место неопределенность энергии АЕ в состоянии с виртуальной частицей. Эта неопределенность в силу известного соотношения квантовой механики AExAt gt; Й не может существовать в течение сколь угодно большого промежутка времени. Таким образом, виртуальная частица не может находиться в асимптотически свободном состоянии и не может наблюдаться как кинематически свободная, она фигурирует в теории взаимодействия лишь в качестве промежуточного состояния.
Вторая интерпретация исходит из допущения строгого сохранения энергии в каждом акте рождения или поглощения виртуальной частицы, но при этом предполагается, что сами эти частицы не удовлетворяют обычному релятивистскому соотношению, связывающему энергию, импульс и массу частицы Е2-с2Р2 = т02с4. В физике это называется «сходом с массовой поверхности». При этом сходе у фотона может «появиться» масса, а обычная частица — оказаться в области с мнимой массой (от7/ lt; 0)- Данная интерпретация, будучи математически эквивалентна первой, не столь ясна, но приводит к тем же следствиям — виртуальные частицы кинематически ненаблюдаемы.
Понятие виртуальных частиц ставит ряд принципиальных вопросов, требующих своего разрешения. И это относится не только к теоретической физике, но и к сфере философии. Возникают принципиальные вопросы статуса их существования, их наблюдаемости и природы[51].
ВЧ характеризуются некоторым «мерцающим» бытием. Они не существует таким же образом, как обычные частицы, и никогда не наблюдаются актуально. С точки зрения философии их адекватное понимание может быть достигнуто посредством концепции многомодусного бытия. Если классическая физика имеет дело с объектами, существование которых может быть отнесено лишь к актуальному бытию, то анализ квантовой механики, так же как и теории калибровочных полей, позволяет в принципе рассматривать сущее как имеющее более сложную онтологическую структуру. Объекты можно рассматривать сущими, по крайней мере, на двух модусах бытия — потенциальном и актуальном. При таком подходе ВЧ необходимо исследовать как объекты, существование которых отнесено только к модусу потенциального бытия. Они никогда не наблюдаются как реальные, действительные объекты, выступая лишь на мгновение из потенциальности, никогда не актуализируясь полностью. Это проявляется в так называемой флуктуации вакуума, зафиксированной экспериментально (например, так называемый лэмбовский сдвиг).
Другим примером, как уже говорилось, является хиггсовский бозон. Его существование предсказывается СМ, в которой он играет фундаментальную роль, и в ближайшие годы планируется проведение экспериментов, где такая частица могла бы быть обнаружена.
В последнее время центр тяжести по объединению фундаментальных взаимодействий сместился в сторону исследования так называемых суперструн. В этой концепции сохраняются идеи о суперсимметрии между бозонами и фермионами и добавляется идея о нелокальности (нето- чечности) физических объектов.
Нелокальные объекты в этой теории — суперструны — несут на себе фермионные и бозонные характеристики и заданы на многомерном пространстве-времени, размерность которого больше четырех. Суперструны понимаются как релятивистские одномерные объекты (одномерные в пространственном смысле, а с учетом времени они двухмерные) с характерными размерами порядка планковской длины — 10~33 см. Чаще всего рассматриваются суперструны в десятимерном пространстве, где шесть дополнительных измерений компактифицированы, т.е. определенным образом «свернуты» и не проявлены в реальном пространстве-времени.
Хотя теория суперструн и далека от завершения, она предсказывает существование ряда новых полей, новых структур вакуума, тех или иных свойств частиц, диктует, в частности, вполне определенные свойства
ХБ, которые вполне можно проверить. Отсутствие ХБ в эксперименте или обнаружение их со свойствами, качественно отличными от предсказанных, может означать, что предложенные теории либо неверны, либо нуждаются в существенном пересмотре.
В настоящее время имеется целый ряд концепций, значительно отличающихся в своем подходе от стандартной модели. Отметим среди них концепцию техникварков и так называемую преонную гипотезу. Обе они исходят из предположения, что существуют первичные, наиболее фундаментальные частицы, из которых построены все остальные. Теория техникварков не сильно отличается от СМ. Согласно этой теории, ХБ не являются первичными, а построены из кварков нового типа, участвующих еще в одном, новом, типе сильного взаимодействия. Эти частицы и называют техникварками. Приставка техни- означает, что обнаружение этих частиц находится в пределах наших технологических возможностей.
Преонная гипотеза представляется более убедительной и отходит значительно дальше от СМ. Предполагается, что преоны являются наиболее фундаментальными элементарными частицами. По отношению к ним кварки, лептоны и промежуточные бозоны рассматриваются как составные, построенные из преонов. Объекты, которые не изменяются в ее рамках, — это фотоны и глюоны.
Все выдвинутые до сих пор концепции нацелены на построение некой единой теории, в рамках которой можно было бы дать целостное и непротиворечивое описание всех физических явлений. Физики часто называют ее — «теория всего». Существует и ряд концепций кандидатов на такого рода теории, в частности теория супергравитации. В ней делается попытка непротиворечивого включения гравитации в схему единых взаимодействий. Однако здесь возникают серьезные трудности. Дело в том, что группа преобразований, которые включают гравитацию, является «внешней». Она связана с преобразованиями реального простран- ства-врсмени, тогда как другие калибровочные поля — с уже упоминавшимися выше «внутренними» симметриями пространства. В 1970-е гг. были доказаны теоремы, которые показывают невозможность нетривиального объединения внешних и внутренних симметрий.
Различного рода суперсимметричные теории, хотя и далеки от завершения, тем не менее дают определенные предсказания относительно наблюдаемой реальности. Все они предполагают существование большого числа дополнительных полей и частиц, которые пока никто не наблюдал. Большинство из них требуют огромных значений энергии, пока не достижимых на современных ускорителях, но ряд эффектов, предсказываемых теорией, вполне может наблюдаться и при современных технических возможностях. Однако, в целом все развитие концепции суперсимметрий (суперструн), равно как и других объединительных моделей, происходит «внутри» самой себя и не дает пока каких-либо реальных результатов, которые можно было бы сравнить с опытом. Поэтому было бы преждевременным говорить об истинности всех этих моделей. Существует проблема их обоснования, причем как на уровне эмпирическом, так и теоретическом.
На эмпирическом уровне в качестве определяющих факторов, подтверждающих или опровергающих данную теоретическую модель, могло бы стать наблюдение тех или иных частиц, предсказываемых в рамках теории. Однако здесь есть целый ряд трудностей. Во-первых, для этого требуются энергии, находящиеся пока за пределом наших технологических возможностей. Во-вторых, наблюдение частиц не является прямым; оно содержит ряд промежуточных этапов, и поэтому интерпретация наблюдаемых феноменов не является однозначной. И, наконец, в случае наблюдения некоторой частицы или эффекта, предсказываемых в рамках одной теории, легко может случиться, что данное явление может быть описано и в рамках совсем другой модели. Например, современные данные по позитрон-протонному рассеянию могут быть интерпретированы в рамках пре- онной гипотезы, однако наблюдаемые феномены укладываются не менее успешно и в ряд других моделей.
С еще большими трудностями мы сталкиваемся в выборе и обосновании наиболее адекватной теоретической модели. При явном недостатке экспериментальных фактов, подтверждающих теорию, на первое место выдвигаются методологические принципы типа самосогласованности теории, единства научного знания, соответствия, симметрии и простоты моделей и др.1
Существенную роль при обосновании теорий играют идеи онтологического порядка. Это особенно заметно при рассмотрении теорий и моделей, радикально отличающихся от общепринятых. Практически все модели, которые мы рассматривали выше, можно отнести к «фундаменталистским»: они требуют введения тех или иных наиболее «фундаментальных» частиц, которые существуют в пространстве-времени. С точки зрения онтологии такой подход можно назвать субстанциалистским, когда вещи, объекты (в данном случае — частицы) существуют «сами по себе». Рассматривая же уроки теории относительности и квантовой механики, можно, вообще говоря, усомниться в адекватности такого подхода.
Уже в общей теории относительности свойства пространства-време- ни определяются и зависят от распределения масс вещества, т.е., в конечном счете, от частиц материи. Во всех же рассмотренных выше физических моделях пространственно-временной континуум служил базой или ареной для построения физических взаимодействий. В настоящее время существуют и развиваются концепции, где пространство-время исключено из первичных физических категорий. В них ставится задача
' См., в частности: Методологические принципы физики. История и современность. М„ 1975.
получения пространства-времени как вторичного понятия, свойства которого вытекают из свойств частиц и переносчиков взаимодействий.
Одной из первых программ такого рода можно назвать теорию твис- торов Р. Пенроуза, которая представляет собой серьезную научную программу выведения пространства-времени из некоторых более первичных понятий (твисторов), непосредственно характеризующих свойства элементарных частиц. В качестве побудительного мотива для построения такой модели была убежденность Пенроуза в том, что квантовая теория и теория относительности связаны между собой и должны описываться математическими величинами одной природы — комплексными величинами (комплексными спинорами — твисторами). Твистор простейшего типа представляет собой, по сути, безмассовую частицу в свободном состоянии. При этом она может обладать внутренним спином, а также «фазой», которую можно рассматривать как аналог плоскости поляризации. Такие структуры (твисторы) обладают естественной структурой четырехмерного комплексного пространства. Это пространство заменяет обычное пространство-время в качестве основы для описания физических явлений. Уже в самых ранних работах Пенроузом было показано, как можно ввести понятие евклидова пространства, исходя из предела вероятности взаимодействия большого количества частиц, квазистатически обменивающихся спинами. При таком подходе евклидова структура возникает из комбинаторных правил, которым удовлетворяет полный угловой момент в нерелятивистской квантовой механике. Строится Пенроузом и релятивистское обобщение этой модели. Главным при таком подходе является то, что задается твистор, из которого можно получить четырехмерный импульс частицы. Из двух твисторов строится вектор момента-импульса. Импульсы и моменты в такой теории являются более фундаментальными понятиями.
Можно задаться вопросом, почему в качестве первичного понятия выбираются объекты такого рода. Ответить на него можно было бы так: развивая такую теорию, мы надеемся, что в конце концов получим следствия, соответствующие известным наблюдательным данным или известной физической теории. Несмотря на то что этот ответ является разумным, ощущение «искусственности» введения такого рода объектов остается. Волевое задание твисторов вызывает множество вопросов, создает ощущение, что за ними должны находиться какие-то более глубокие принципы и понятия. Претендуя на выведение свойств пространства-времени, эта теория не дает, к примеру, обоснования размерности классического пространства-времени.
Концепция Пенроуза, так же как и все перечисленные выше другие концепции, находится в стадии разработки и далека от совершенства. Несомненно, что в их развитии и оценке немаловажную роль сыграют философские и методологические соображения, как это не раз бывало в истории физического знания.
<< | >>
Источник: В. В. Миронов. Современные философские проблемы естественных, технических и социально-гуманитарных наук : учебник для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук. — М. : Гардарики,2006. — 639 с.. 2006

Еще по теме   2.1.2. Онтологические проблемы физики  :

  1.   2.1. Философские проблемы физики 2.1.1. Место физики в системе наук  
  2. 2. Онтологические и гносеологические проблемы
  3. 2. Онтологические и гносеологические проблемы
  4. (2') Онтологические проблемы
  5. Онтологические проблемы
  6. Тема 3. ОНТОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЛОСОФИИ
  7. Смысл истории как философско-онтологическая проблема
  8. Добро и зло как онтологическая проблема Good and evil as an ontologic problem
  9. Проблема исторической реальности: онтологический и гносеологический аспекты The problem of historical reality: ontological and epistemological aspects
  10. § 2. Кризисъ физики въ концЄ XIX вЄка: физика энергетическая.
  11. Онтологические проблемы этнокультурных систем: синтез синергетической и семиотической парадигм Ontological problems ethno-cultural systems: synthesis of synergetic and semiotic paradigms
  12. Онтологические проблемы этнокультурных систем: синтез синергетической и семиотической парадигм Ontological priblems ethno-cultural systems: synthesis of synergetic and semiotic paradigms
  13. 4. Философские проблемы различаются в соответствии с делением жизненных проблем на проблемы-образы, проблемы-действия и вербальные проблемы
  14. 5.1. Онтологические аргументы
  15. § 1. Онтологический монизм и доминирование рационализма
  16. Ж.П. Сартр: онтологическая выделенность и неэлиминируемость cogito
  17. Онтологический каркас мира Ontological framework of the World
  18. Историческое сознание как онтологическая рамка философии истори
  19. Онтологический аргумент (Ансельм)