Современная космология: философские горизонты - Коллектив авторов (книги без регистрации бесплатно полностью .txt) 📗
Иными словами, в квантово-полевой исследовательской программе набирает обороты идея построения единой теории поля, реализующая мечту Эйнштейна, и которая десятки лет считалась невыполнимой, а потому, мягко говоря, являлась «отложенной» до лучших времен. Но эти времена настали и очень быстро дали свои всходы: была разработана теория электрослабой) объединения, получившая блистательное экспериментальное подтверждение, предложены различные модели Великого объединения (единая теория сильного и электрослабого взаимодействий), обозначилась разработка теории суперструн и на этой основе модели суперсимметрии. Успехи в физике элементарных частиц привели к эпистемологическому повороту в космологии, и к восьмидесятым годам прошлого века стало понятно, что развитие космологии должно включать в себя концепции, разрабатываемые в квантовой теории поля. Таким образом, можно сказать, что на современном этапе произошло полное «смыкание» космологии и физики элементарных частиц, когда проблемы этих, когда-то разных физических дисциплин, полностью перекрываются и оказываются в одной плоскости исследований.
В 1998 году были получены экстравагантные результаты, в корне переменившие наши представления о структуре материи. Было установлено, что обычное вещество составляет только 4 % энергии Вселенной, 20 % — неиндентифицированная «темная материя» и 76 % — «темная энергия», которая сопоставляется с энергодоминантно-нарушенным вакуумом, способным к гравитационному отталкиванию. Мы считаем экспериментально надежно установленным, что на современном этапе эволюции «темная энергия» обеспечивает расширение Вселенной с ускорением, что вносит существенные коррективы в поиск адекватных космологических сценариев. В случае, если носителем «темной энергии» действительно является космологический вакуум, мы получим дополнительные аргументы в пользу правильности выбранной стратегии в рассмотрении космологического вакуума как объекта, в котором изначально была сконцентрирована вся энергия нашей Вселенной. За время эволюции Вселенной часть энергии вакуума была израсходована, отдана на рождение других структурных единиц материи — на обычное вещество и «темную материю». Но уже сейчас, отталкиваясь от результатов, полученных на теоретической и экспериментальной стадиях современных исследований, можно ставить вопрос о рассмотрении вакуума в качестве «прародителя» обитаемого нами мира и в качестве исходной абстракции в физической теории.
Подчеркнем, что все современные космологические модели в своей основе используют представление о Вселенной как о самоорганизующейся целостности, что означает явное или неявное использование философского принципа восхождения от абстрактного к конкретному. Восхождение от абстрактного к конкретному есть метод воспроизведения в мышлении конкретного (в нашем случае Вселенной как целостности) путем синтеза абстрактных определений конкретного. Важно, что это восхождение рассматривается как диалектическое развитие, как генетическое выведение конкретного из абстрактного.
Вакуум и проблема геометризации физики
Использование калибровочного принципа в физике, по существу, представляет собой программу геометризации физики. Макроскопическая среда под названием вакуум рассматривается в рамках этой программы как конкретное состояние геометрии пространства-времени. Следует сразу оговориться, что в существующих теориях, проверяемых экспериментально, программа геометризации полностью не реализована. В рамках программы геометризации физики все физические поля рассматриваются как характери-стики геометрии пространства-времени: гравитационное поле интерпретировано как искривление пространства-времени; остальные известные физические поля, сильное, слабое и электромагнитное, представляют собой расслоения пространства-времени. Между тем, фермионные поля, кванты которых сопоставлены кваркам и лептонам, рассматриваются здесь как объекты, внешние к пространству-времени. Таким образом, на современном этапе полной геометризации достигнуть не удалось, имеет место неполная геометрия описания, но стрела дальнейших исследований в области фундаментальной физики и космологии направлена именно в сторону полной реализации данной программы. Здесь можно говорить о двух этапах научного поиска. На первом этапе ставится задача построения теории суперсимметрии, позволяющей объединить все известные физические взаимодействия в единое суперполе, то есть выявить то «Единое Бытие», ту группу суперсимметрии, которая по сей день составляет ненарушаемое основание нашего мира. Второй этап нацелен на поиск объединения геометрии и материи суперполя в единое геометризированное суперполе, возможно, соответствующее более сложной структуре расслоенного суперпространства. Оказалось, что согласование этой идеи с уже имеющимися экспериментальными данными по спектру наблюдаемых частиц требует перехода к геометрии многомерного пространства-времени. Ситуация представляется еще более экстравагантной по той причине, что геометрия этого многомерного пространства-времени предположительно должна описывать не конечным набором полей, а бесконечным, но с определенной иерархией, определяемой теорией суперструн. По поводу перспективности суперструнной программы идут серьезные дискуссии, от обсуждения внутри-математических проблем теории до выдвижения альтернативных концепций (например, концепции преонов или некоммуникативной геометрии), а также дискуссии по поводу самой возможности получения прямых или хотя бы косвенных экспериментальных аргументов в пользу супер-струнной программы.
На том уровне познания, который допускает современный эксперимент, мы можем говорить об искривленном пространстве, в котором имеются три типа расслоенных структур (электромагнитное, сильное, слабое) плюс поля вещества, которые еще полностью не геометризированы, о чем было сказано выше. Эти представления могут быть расширены, и в этом немалую роль могут сыграть эксперименты, запланированные на Большом адронном коллайдере (LHC). Одной из приоритетных экспериментальных задач на LHC является поиск проявлений суперсимметрии между бозонами и фермионами на масштабе энергий 1 ТэВ. Если суперсимметрия будет обнаружена, то экспериментальное подтверждение получит концепция суперрасслоенного суперпространства. Но пока эффект суперрасслоения никак не проявлялся, поэтому оставим эту проблему без комментариев. Обратимся к смыслу понятия «расслоение».
Именно использование калибровочного принципа позволяет придать всем рассматриваемым видам симметрий геометрическую интерпретацию, ибо калибровочные симметрии могут быть интерпретированы как связности в расслоенных пространствах — структурах, хорошо известных в дифференциальной геометрии. В классической физике физическое пространство трактуется как многообразие точек, переходящее само в себя при преобразованиях (простейшие случаи — вращение и трансляция, в релятивистской физике — преобразования Лоренца). При рассмотрении теории расслоенного пространства предполагается, что каждая точка сама по себе является многообразием, переходящим само в себя при преобразованиях внутренних симметрий. Это имеет надежное экспериментальное подтверждение для проявлений и электромагнитного, и сильного, и слабого взаимодействий. Понятно, что возникает вопрос о природе этих свойств. И здесь прослеживаются два возможных варианта интерпретации.
Первый вариант: точка, которую мы воспринимаем как элемент четырехмерного пространства-времени, в действительности принадлежит многомерному пространству. Тогда внутренние свойства этой точки порождаются свойствами многомерного пространства. В теории предложены два альтернативных подхода для описания «внешней скрываемости» многомерия, — теория Калуци-Клейна и (или) бранная топология. Согласно теории Калуци-Клейна, дополнительные пространственные измерения сжаты, компактифицированы до размеров 10-33см. Отметим, что ограничение, даваемое экспериментом, составляет значение до 10-18см. Бранный подход связан с теоретически предсказанной возможностью того, что пространство компактифицированным не является, а масштабы движения в дополнительных измерениях макроскопические, сопоставимые с размерами Вселенной. Однако выход в эти измерения затруднен свойствами четырехмерной гиперповерхности, отождествляемой с нашей Вселенной. В рамках этой второй модели предполагается существование некоторых специфических сил сцепления, действующих на объект, находящийся на динамической поверхности, которые и препятствуют отрыву тела. Это и обеспечивает нам существование именно в трехмерном пространстве и одномерном времени, так как дополнительные измерения оказываются для нас пока энергетически недоступными. Существуют программы претенциозных экспериментов, которые позволят различить эти две концепции, но, к сожалению, они количественно не прогнозируемы. Так, на коллайдере LHC будет получен предел энергий, при переходе через который может стать возможным выход в дополнительные измерения. Если энергии окажется достаточно, то возникнут специфические эффекты, состоящие в том, что частицы как бы покидают наше пространство-время, а потом возвращаются в него. Данная программа теоретически разработана академиком В.А. Рубаковым[310]. Однако даже при положительном исходе эксперимента мы получим только макроэффект, сами перемычки, микроэффекты останутся, так сказать, за кадром. Тем не менее, положительный результат давал бы основание для дальнейшей разработки второго из упомянутых нами подходов. Полная реализация обоих подходов этого варианта приводит к физике суперструн. И здесь являет себя прогрессивный сдвиг проблем в части классификации объектов теории: намечаются пути слежения от суперструн до явленных объектов реального мира.
