Физическая парадигма и универсальная теория

Физическая парадигма и универсальная теория

Кризис фундаментальной физической теории

Бостонская дискуссия

Квантовая теория поля является теоретической основой современной фундаментальной физики, включающей физику элементарных частиц и космологию. Своего наибольшего успеха она достигла в 70-х годах XX века, когда была создана Стандартная модель, достаточно хорошо описывающая опытные данные. В ней фундаментальные взаимодействия природы удалось описать единым образом – посредством неабелевой калибровочной теории. Однако затем последовал длительный период теоретического застоя, продолжающийся и ныне. Концептуальное развитие СМ застопорилось. Создавшееся положение обсуждалось в 1996 г. в Бостонском университете на представительном симпозиуме, посвященном концептуальным основаниям КТП. В 1999 году его материалы были опубликованы. Их краткий обзор дан в работе, которой мы будем следовать. В состоявшейся дискуссии с участием известных физиков и философов науки нас будут интересовать критический взгляд на КТП «изнутри» и видение перспективы.

Апологеты СМ утверждают, что физика может считаться завершенной, что все основные законы уже открыты и систематизированы в Стандартную модель. Их лозунг: «Никакой новой физики!» Однако многие исследователи такую точку зрения отвергают, подвергая СМ и КТП жесткой критике за присущие им недостатки. Заостряя ситуацию, Ш. Глэшоу сказал даже, что «КТП просто неверна!» Верная теория, считает он, должна включать в себя квантовую гравитацию. Среди недостатков КТП выделяется проблема расходимостей. «Для таких светил, как Швингер и Дирак, появление расходимостей делало КТП неприемлемой в качестве некоторой окончательной теории», – отметил Глэшоу. Перспективу он видит в теории струн. «Но никто еще не получил из теории струн каких-либо проверяемых предсказаний», – напомнил он.

Сторонником теории струн и критиком СМ выступил и Д. Гросс. Он перечислил проблемы, которые требуют выхода за пределы КТП. В их числе унификация взаимодействий, иерархия масс, происхождение лептон-кварковых семейств, объяснение параметров СМ и малой величины космологической постоянной, реконструкция ранней истории Вселенной и др.

Проблемы, выходящие за рамки КТП, Глэшоу определил как метафизические. Он относит к ним дираковскую «проблему больших чисел». Почему массы различных фермионов различаются на пять порядков и столь малы по сравнению с планковской массой? Почему взаимодействия в мире элементарных частиц описываются калибровочными симметриями и какова природа этих симметрии? Что является источником сил? Почему равны гравитационная и инерционная массы? Есть ли внутренняя структура у электрона? И т.д. С точки зрения Глэшоу подлинные метавопросы остались сейчас только в физике элементарных частиц и космологии.

Вывод, к которому пришли критики СМ, таков: стагнация теории должна быть преодолена новой концептуальной революцией, которая не обязательно будет базироваться на теории струн, но в любом случае совершит радикальный пересмотр основных допущений и принципов КТП. Фактически это есть констатация кризиса современной физической парадигмы без указания конкретного выхода из него.

Важное место в дискуссии было уделено метафизическим и эпистемологическим вопросам физики. Среди первых основное место занимает вопрос о картине мира, рисуемой современной физикой. Является ли мир непрерывным или он дискретен? Какова природа вакуума и вакуумных флуктуации? Каков смысл понятий волна и частица в субатомном мире? Обладает ли мир иерархической структурой и если да, то каковы механизмы взаимодействия между ее уровнями? Можно ли уровни описывать в рамках редукционизма или они несводимы друг к другу?

К. Ровелли отметил, что в современной картине мира, основанной на КТП, нет ответа на вопросы, что такое время, пространство, причинность, материя. До сих пор не решена проблема объединения квантовой механики и эйнштейновской общей теории относительности с ее представлениями о пространстве-времени, и сегодня мы не имеем согласованной картины физического мира. КМ и ОТО разрушили понятия, на которых более трех столетий основывался синтез картезианско-ньютоновской картины мира, не создав новой. Ровелли настораживает, что в теории «невозмущенной» канонической гравитации и в «невозмущенной» теории струн из фундаментальных уравнений исчезает время, а с ним и эволюция мира.

Среди эпистемологических проблем главным является вопрос о природе физических понятий: стоит ли за ними физическая реальность или это теоретический конструктор? В частности, описывает ли реальность базисная онтология теории?

С. Вайнберг, анализируя путь развития КТП и ее основных понятий, отмечает, что прежний дуализм, согласно которому мир состоит из частиц и полей, преодолен. С позиции КТП квантовые поля являются базисными ингредиентами Мироздания, в то время как частицы вторичны – они просто проявления полей. Но, отмечает Вайнберг, многие вычисления упрощаются, если их выполнять, следуя мировым линиям частиц. Он выразил неудовлетворение феноменологическим описанием элементарной частицы, поле которой присутствует в лагранжиане. Ф. Рорлих подчеркивает, что экспериментаторы наблюдают именно частицы, и в отличие от других компонент теории онтологический статус элементарных частиц вызывает мало сомнений. Рациональное оправдание для формализма КТП Вайнберг видит в том, что здесь реализуется синтез трех принципов: лоренц-инвариантности, квантовой механики, а также кластерного разложения, согласно которому «результаты удаленных друг от друга экспериментов не должны быть коррелируемы».

Наиболее острая дискуссия развернулась по проблеме редукционизма – антиредукционизма в теоретической реконструкции микрореальности, поскольку она связана со стратегическими путями развития физической теории. Их два: программа эффективных теорий или поиск окончательной теории. Первая исходит из того, что иерархические уровни материи, различающиеся масштабом длин и энергий, квазиавтономны, а их «население» подчиняется собственным законам. Современная наука устроена подобным же иерархическим образом, а ее уровни имеют свои собственные основополагающие эксперименты и понятия, не имеющие смысла на низшем, фундаментальном уровне и невыводимые из понятий последнего. Согласно Т. Цао, стратегия эффективных теорий, отрицающая монофундаментализм окончательной теории, совместима с полифундаментальностью иерархических уровней, из которых ни один нельзя считать более фундаментальным, чем другие. Исследователь каждого фундаментального уровня не должен огорчаться из-за ограниченной области применимости своей теории. Ведь, согласно Цао, даже наиболее последовательный монофундаменталист в физике элементарных частиц понимает, что его теория имеет ограниченную область приложимости и не может быть использована, скажем, в экономике и поэзии.

Д. Нельсон отмечает, что физика элементарных частиц достигла столь малых масштабов и столь высоких энергий, что ее выводы оказываются несущественными для физики окружающего нас мира.

Глэшоу сомневается в осмысленности самих понятий «финальная» теория или «Теория Всего Сущего». И хотя идеал окончательной теории играет положительную роль в познании, поскольку стимулирует величайшие интеллектуальные усилия по ее построению, сама цель является иллюзорной. Глэшоу не верит, что ученые когда-либо смогут ее достичь*'.

С редукционистских позиций выступил М. Рэдхед. Он считает, что ни антиредукционизм, ассоциирующийся с уходящей в бесконечность башней эффективных теорий, ни редукционизм, предполагающий окончательную теорию типа «Теория Всего Сущего», не могут быть экспериментально обоснованы раз и навсегда, а потому эти идеи метафизичны, поскольку, говоря словами Канта, выходят за рамки всякого опыта. Однако идея окончательной фундаментальной теории стимулирует познавательный процесс, поиски единства знания, характеризующегося простотой и симметрией порядка, лежащей за видимой сложностью явлений.

Вайнберг и Гросс отстаивали возможность окончательной теории. Оба полагают, что эффективные полевые теории – лишь приближение к более глубокой теории, которая будет получена из этих приближений неким систематическим путем. Эта более глубокая или окончательная теория будет не полевой, а радикально отличной от КТП.

Таковы основные позиции, прозвучавшие на бостонском форуме. Они хорошо отражают современное кризисное состояние фундаментальной теории. Впечатляет внушительный перечень вопросов, на которые предстоит ответить тем, кто попытается найти выход из сложившейся критической ситуации. Звучали слабые надежды на развитие теории струн. Надежды на замену КТП остаются надеждами уже более 25 лет. Теория струн возникла как модель, способная устранить расходимости, связанные с точечностью частиц и локальностью их взаимодействия. Она способна включить гравитацию в квантовую теорию. Но, «претендуя на роль фундаментальной теории физики микромира и единой теории всех взаимодействий, теория струн до сих пор не имеет не то что законченной формулировки, а даже до конца разобранного «модельного примера», более или менее охватывающего все ее принципиальные черты, подобно простейшим моделям квантовой механики или квантовой теории поля». Ситуацию с теорией струн лучше всего описывает пословица: на безрыбье и рак рыба. Очевидный вывод из дискуссии: нужны новые идеи.

Когда на бостонском форуме говорилось об окончательной теории или «Теории Всего Сущего», речь не шла об универсальной теории – теории Универсума. Спор между редукционистами и антиредукционистами был не о теории Мироздания, хотя, если вдуматься, окончательной теорией может быть только она. Речь идет о стратегии исследований. Обе стороны видят путь развития науки поэтапным, разница заключается в способах описания иерархического мира. Однако поэтапное развитие монофундаменталистской теории выглядит не очень понятным. Поэтапно должны охватываться различные уровни иерархии. Если сегодня теория опишет уровень элементарных частиц и Вселенной, то завтра и послезавтра – промежуточные уровни. Но если единым образом удастся описать минимальный и максимальный масштабы, то почему промежуточные масштабы окажутся вне теории? Если же речь пойдет об универсальной теории, то поэтапность должна быть исключена.

В споре с редукционистами аргументация оппонентов не выглядит последовательной. Их главный довод – неспособность современной монофундаменталистской КТП описывать высокие иерархические уровни нашего мира. Это действительно так, и это – приговор, но не редукционизму, а современной физической парадигме, что не одно и тоже, хотя последняя и включает редукционистский подход как свой элемент. Идущая, видимо, от Гераклита идея редукционизма подтверждается на низших уровнях иерархии материи. Всеми, в том числе и антиредукцонистами, признается, что из кварков образуются нуклоны, из нуклонов строятся ядра, создающие атомы, далее идет молекулярный уровень, изучаемый химией. Здесь прослеживаемая редукционистская цепочка обрывается, и при изучении более высоких уровней организации материи современная квантовая теория становится неэффективной. Нужно ли из этого делать вывод о полифундаменталистском устройстве мира и неадекватности редукционистского подхода? Более последовательный вывод таков: возможности КТП ограничены, и ей надо искать замену. Об этом говорили некоторые участники бостонской дискуссии.

Если принять концепцию антиредукционистов, то проблема описания мироустройства не упрощается, а усложняется. Сразу встает вопрос о числе иерархических уровней, чем оно определяется. Нужно будет объяснять их происхождение, чем природа одного уровня отличается от природы другого, сколько новых фундаментальных констант должны их описывать, каково их происхождение и т.д. Комплекс проблем, возникающий при монофундаменталистском подходе, многократно умножится при переходе к полифундаментализму. И это выход из кризисной ситуации? Глядя на подобное невынужденное усложнение, уместно вспомнить о «бритве Оккама».

Бостонская дискуссия не выявила непреодолимой аргументации против возможности создания универсальной монофундаменталистской теории, разработка которой в 2000 г. продвигалась успешно, хотя еще была далека от завершения.

Для поиска выхода из тупика в 2004 г. Министерство энергетики и Национальное научное общество США создали комитет, задачей которого является выяснение возможностей науки в решении наиболее значительных проблем в физике элементарных частиц. Комитет, руководимый П. Дрелл, начал с составления перечня вопросов, которым надо уделить особое внимание в национальных и международных программах:

1. Существуют ли неизвестные природные принципы, новые физические законы, новые симметрии?

2. Имеются ли дополнительные пространственные измерения?

3. Можно ли объединить все силы и все взаимодействия?

4. Зачем Вселенной так много типов различных элементарных частиц?

5. Можно ли раскрыть тайну темной материи и получить ее в лаборатории?

6. Каковы настоящие свойства нейтрино?

7. Как Вселенная достигла современного состояния?

8. Что в процессе эволюции Вселенной случилось с антивеществом?

Все эти вопросы будут обсуждаться в ч. I. Они важны для разработки новой парадигмы.

О «Теориях Всего Сущего»

На бостонском симпозиуме, когда речь заходила о «Теории Всего Сущего» или окончательной теории, под этим понималась отнюдь не теория Мироздания – не тот сегодня уровень фундаментальной физической теории, чтобы рассчитывать на подобное. Однако теории, претендующие на универсальное описание мироустройства, известны. Их немного и успешными назвать их нельзя, но для характеристики поисков в этом направлении, важном для нас, мы представим две теории – одну антиредукционистскую и одну редукционистскую.

Теория Д. Дойча. Она не относится к физическим теориям. Поэтому мы приведем представления автора не о структуре реальности, а о формировании универсальной Теории Всего. Он, как и многие, считает целью научной теории объяснение мира, полагая, что должно пониматься не все, что существует, а все, что понято. «Мы понимаем структуру реальности, только понимая теории, объясняющие ее». Если структура реальности едина, то путь обобщения теории приведет к «единственной теории единой структуры реальности». «Это будет теория всех предметов: Теория Всего». Она будет первой универсальной теорией. Так как теории принципиально несовершенны, ее в свое время вытеснит более глубокая и точная теория, и т.д. «Создание Теории Всего будет последним большим объединением и в то же время первым шагом к возникновению нового мировоззрения». Дойч считает, что при редукционистском подходе фундаментом становится «упрощенная Теория Всего», универсальная теория частиц, сил, пространства и времени вместе с некоторой теорией начального состояния Вселенной. Остальная физика образует первые несколько этажей. Астрофизика и химия займут более высокий уровень, геология еще более высокий и т.д. Еще выше – биохимия, биология и генетика. «В нетвердых слоях стратосферы примостились такие предметы как теория эволюции, экономика, психология и вычислительная техника». Однако «никто на самом деле не собирается выводить принципы биологии, психологии или политики из принципов физики. Причина, по которой предметы более высокого уровня поддаются изучению, состоит в том, что в определенных условиях непостижимо сложное поведение огромного количества частиц становится мерой простоты и удобопонятности. Это называется исходом: простота высокого уровня исходит из сложности низкого. Явления высокого уровня с понятными фактами, которые нельзя просто вывести из теории низкого уровня, называются исходящими явлениями». «Цель наук высокого уровня – дать нам возможность понять исходящие явления, самыми важными из которых…являются жизнь, мысль и вычисление». «Четыре основные нити объяснения, которые могут составить первую Теорию Всего – это квантовая физика, эпистемология, теория вычислений и теория эволюции».

Можно согласиться с Дойчем, что его «Теория Всего» несовершенна. Это яркий пример спекуляции, не утруждающей себя доказательствами.

Теория Г. Шилова. У этой теории иной статус. Эта физическая редукционистская теория представляет интерес тем, что в ней фактически заложен поляризационный подход, лежащий в основе настоящей работы. Это делает возможным сравнение.

Как известно, от А. Эйнштейна ведет начало еще одно направление поиска, нацеленное на универсальное описание мира, – единая теория поля. В ее основе лежит геометризация полей материи. Эйнштейн надеялся, что на этом пути ему удастся найти уравнения «совершенной квантовой теории», так как появившаяся квантовая теория его не удовлетворяла. Шиповым в «Теории физического вакуума» строится более общая ЕТП, основанная на идее, что «…в мире нет ничего, кроме кривизны и кручения». Как считает ее автор, «проблема создания единой теории поля получила свое решение в теории физического вакуума» – «основного состояния любого вида материи, являющего источником всех частиц и полей». Вывод уравнений 10-мерного вакуума, не содержащих физических констант, основан на новом «принципе всеобщей относительности всех физических полей… Все физические объекты становятся относительными, приобретая возможность менять свои массы, заряды, спины и т.д. при рождении из физического вакуума». Эти характеристики «частицеподобных решений» уравнений определяются тензором кривизны, становящимся относительным.

Страницы: 1, 2