CC BY
78
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Партнерство школы и вуза в развитии / З. П. Ба-рышева, Д. Е. Капуткин, О. И. Лебедева, Ю. А. Андреенко, Е. В. Конарева, И. Ф. Уварова // Наука и школа. 2013. № 2. С. 8-9.
2. Вопросы и задачи по механике с переводом на английский язык: Учебное пособие для дополнительной подготовки учащихся к обучению в техническом вузе / Ю. А. Андреенко, З. П. Ба-рышева, Д. Е. Капуткин, Е. В. Конарева. М.: ЛИБРИ ПЛЮС, 2013. 38 с.
УДК 53 ББК 22.632.9
КОСМОМИКРОФИЗИКА
В СВЕТЕ КОНЦЕПЦИИ СУПЕРВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
COSMOMICROPHYSICS IN THE CONTEXT OF SUPERINTERACTION CONCEPT
В. Н. Князев
В статье рассматриваются эпистемологические аспекты космомикрофизики в свете концепции супервзаимодействия. Концепция супервзаимодействия исследуется как основа единства всей фундаментальной физики.
Ключевые слова: космомикрофизика, Вселенная, концепция супервзаимодействия, единство физики.
V. N. Knyazev
The article highlights epistemological senses of cosmo-microphysics in the terms of superinteraction concept. The concept of superinteraction is researched as the basis of the unity of the whole fundamental physics.
Keywords: cosmomicrophysics, the Universe, concept of superinteraction, unity of physics.
В процессе подготовки будущих учителей физики важную роль играет учебный курс «Философия физики», в котором анализируются эпистемологические смыслы современных фундаментальных проблем физики. Одной из последних является все более выраженная тенденция соединения физики микромира и космологических моделей. В самом деле, принципиальной особенностью современного развития физики является процесс внутренней интеграции ее базовых теорий. Выдающийся космолог Стивен Хокинг пишет: «За последнее столетие мир изменился гораздо сильнее, чем за все предыдущие века. Причиной тому послужили не новые политические или экономические доктрины, а достижения технологии, которые стали возможны благодаря прогрессу фундаментальных наук» [1, с. 34]. Одной из этих фундаментальных наук была космология, а другой — физика элементарных частиц, которая развивалась благодаря появлению квантовой механики. Последняя, в отличие от космологии, изучает не звезды и галактики, а переносит фокус своего внимания на элементарные частицы. В этой связи очень важным результатом подтверждения справедливости теории элементарных частиц явилось недавнее экспериментальное обнаружение существования бозона Хиггса, отмеченное присуждением Нобелевской премии за 2013 г. и послужившее дополнительным аргументом, свидетельствующим о связи между космоло-
гией и микрофизикой. Космомикрофизика - это отрасль физического знания, в рамках которой происходит соединение космологии и микрофизики в процессе изучения ранних этапов развития Вселенной. Она соединяет в себе две тенденции ранее (в первой половине XX в.) трудно совместимые. Ныне космомикрофизика изучает связь между космологией и микрофизикой, выявляя единый фундамент микро-, макро- и мегамиров. Возникает вопрос: как это возможно?
Истоки такой возможности связаны с появлением в 1957 г. так называемой многомировой интерпретации квантовой механики, которая была предложена Х. Эве-реттом, но в первые десять лет, по сути, не была востребована. В ее основе 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 Шредингера. Все физические процессы (в том числе процесс измерения) описываются этим уравнением. Отказавшись от постулата редукции волнового пакета (принятого в рамках копенгагенской интерпретации квантовой механики), Эверетт разработал свою концепцию, во многом ориентируясь на «космологические» причины. В самом деле, копенгагенская интерпретация
квантовой механики принципиально подразумевает существование наблюдателя, который может проводить измерение над квантовой системой; результатом такого измерения является редукция волнового пакета квантовой системы. Если же всю Вселенную рассматривать как квантовый объект, то уже нельзя апеллировать к такого рода наблюдателю, находящемуся за ее пределами. Именно многомировая интерпретация квантовой механики, которая не нуждается в классическом наблюдателе и постулате редукции, представляется ныне наиболее адекватной при рассмотрении космологических проблем. Особую популярность многомировая интерпретация приобрела в 1980-е гг. в связи с развитием квантовой космологии. Та особенность, что физика микро-, макро- и мегамиров тесно связаны между собой, теперь стала общепризнанной. Однако осмысление того, что происходило на самой ранней стадии развития Вселенной, принципиально связано с квантованием всех полей, включая, видимо, и гравитацию. Построение волновой функции Вселенной приводит к кажущемуся парадоксальным выводу об одновременном существовании параллельных миров как самостоятельных «ветвей» эволюционирующей Вселенной. При этом «уничтожения» лишних ветвей не происходит, а все слагаемые при математическом разложении волновой функции равноправны. В целом исследования в рамках квантовой космологии приводят к обсуждению почти фантастических сюжетов, объединяющих космологию и физику элементарных частиц в новом знании - космомикрофизике (А. Д. Сахаров), что в англоязычной литературе получило название - "Astroparticle Physics" [см.: 2, с. 39].
Один из авторитетных современных исследователей космомикрофизики М. Ю. Хлопов пишет: «Обращаясь к основаниям и симметрии микромира и начальных условий расширения Вселенной, мы обнаруживаем неразрывную связь физики элементарных частиц и космологии. Фундамент микро- и макромира оказывается единым. Изучение этого единого фундамента во всем многообразии его проявлений и является предметом космомикро-физики» [3, с. 7]. Эта проблема на сегодняшний день действительно является одной из актуальнейших проблем физики элементарных частиц и космологии, что неразрывно связано с пониманием природы физической материи, ее возникновения на самом начальном этапе эволюции Вселенной. В начале XXI в. вопросом происхождения и эволюции Вселенной занимаются такие ученые, как С. Хокинг, Р. Пенроуз, Б. Грин, А. Линде, В. А. Рубаков, А. Д. Чернин, М. Ю. Хлопов, М. В. Сажин и другие.
Наряду со сказанным следует отметить, что развитие физического познания в XX в. от первых попыток единых теорий поля к современным моделям объединения фундаментальных взаимодействий, по существу, привело к концепции супервзаимодействия [см.: 4]. Последняя может быть охарактеризована как последовательный результат развития современных тенденций объединения различных физических представлений, интегративно выражающих идеи теории Великого объединения (Grand
Unification), суперсимметрии, суперструн, супергравитации и глобально эволюционного подхода. Очень важную роль для реализации всех этих тенденций играют фундаментальные физические константы. В самом деле, так называемые «планковские параметры» («фундаментальная длина» («квант длины») ~ 10-33 см, «квант времени» - 10-43 с и соответствующая им планковская энергия (масса) -1019 ГэВ) своим физическим содержанием свидетельствуют о наличии принципиальных границ для познания физической реальности с позиций современных теоретических знаний. Теории могут быть экстраполированы только до этих «границ»: за пределами этих границ все рассуждения носят исключительно умозрительный характер. Известно, что на сегодняшний день существует ряд теоретических моделей в рамках нелокальных квантовых теорий поля, которые свидетельствуют о фундаментальной роли планковских параметров.
В последние десятилетия получили распространение представления об «окончательной теории», на роль которой не без оснований претендует так называемая теория суперструн. Теория такого типа создает фундамент, лежащий в основе всех остальных теорий. В англоязычной литературе подобная теория уже много лет называется ТОЕ («theory of everything»), а в отечественной литературе ТВС («теория всего сущего»). Современная теория суперструн принципиально объясняет свойства фундаментальных частиц и их взаимодействий. Ее создание претендует на объяснение начала нашего мира (Вселенной), а на этой основе развертывание понимания его эволюции. Однако создание теории в духе ТВС никоим образом не означает завершения их исследовательской деятельности. Сегодня физики на полном серьезе говорят о том, что если теория суперструн верна, то устройство Вселенной имеет такие особенности, которые наверняка изумили бы даже А. Эйнштейна.
Теорию суперструн следует соотносить с самыми фундаментальными теориями современной физики и можно представить в качестве базового основания концепции супервзаимодействия [см.: 5-6]. Последняя позволяет принципиально по-новому решать вопрос о единстве физического знания, в том числе и в аспекте космомикрофизики. Действительно, в рамках объединительных концептуальных моделей свойства наблюдаемого мира связаны с тем, каков именно механизм «расщепления» супервзаимодействия на «дочерние» ветви (современные типы физических взаимодействий с их относительной фундаментальностью) и в чем состоят особенности дальнейшей дивергенции фундаментальных взаимодействий. Ныне важно понять, каким образом нарушается исходная суперсимметрия и симметрия взаимодействий последующих фаз эволюции физического мира. Необходимо мировоззренчески осмыслить роль системности взаимодействий в самоорганизации материи, вскрыть диалектику порядка и хаоса в рамках современной физической картины мира. Концепция супервзаимодействия призвана сыграть значительную роль при поиске и самом создании «теории Всего».
Согласно концепции глобального эволюционизма, общая картина развития природы обобщает и систематизирует имеющийся разнообразный естественнонаучный материал. Вместе с тем она заостряет ряд методологических проблем, решение которых может быть получено только в рамках соответствующих конкретных направлений развития современной науки. Картина природы показывает реальную возможность рассмотреть все многообразие процессов в Метагалактике в аспекте концепции самоорганизации [см.: 7].
В современной физике космоса все более ускоряются внутренние интегративные процессы, что, в частности, проявляется в сближении основ астрофизики и космогонии, ибо и та и другая изучают объекты со сходными законами эволюции. Космогония во многом интегрируется с космологией, поскольку Вселенную с момента Большого взрыва, то есть с начала ее рождения и расширения, можно рассматривать как специфическое метагалактическое образование, проявляющее в определенной степени общие законы образования галактик. В этом выражается один из важнейших принципов космологии, согласно которому, законы природы, открытые на основе изучения ограниченной части Вселенной (например, Солнечной системы) могут быть экстраполированы, по сути, на всю Вселенную. На языке синергетических представлений это возможно как проявление свойств фрактальности Вселенной. На философско-мировоззренческом уровне знаний при таком подходе своеобразно проявляется синтез принципов единства мира и развития.
Кратко напомню историю становления представлений о единстве микро- , макро- и мегамиров. Релятивистская космология появилась из идей общей теории относительности. Ее целью было объяснение эволюции Вселенной. Важной отличительной чертой данного раздела науки является своеобразная специфика познания. Космология - это наука, в которой невозможно поставить прямой эксперимент, невозможно управлять начальными условиями и скоростью течения процессов. Ученые, изучающие звезды, галактики и Метагалактику, могут лишь наблюдать за тем, что происходит. До недавнего времени они были не в состоянии смоделировать в лабораторных условиях рождение звезды или ее превращение в «черную дыру»; теперь это становится возможным в рамках компьютерного эксперимента. Но компьютерное моделирование не отменяет необходимости серьезного осмысления того, насколько можно подтвердить или опровергнуть научные гипотезы и модели, пытаясь приблизиться к теории, которая будет более адекватно описывать космологическую реальность.
Прекрасной иллюстрацией в первой половине ХХ в. служит открытие нестационарности Вселенной. Известно, что теоретический базис для этого был создан в работах А. А. Фридмана, но его идеи носили настолько революционный характер, что не были приняты научным сообществом того времени сразу, и только немного позже астроном Э. Хаббл, наблюдая за удаленными звездо-подобными объектами на протяжении десяти лет, открыл существова-
ние других галактик, для которых было характерно красное смещение спектральных линий, что стало интерпретироваться как факт расширения Вселенной. Теоретическая идея нестационарности Вселенной смогла объяснить результаты наблюдений Э. Хаббла.
Также в космологии возможно подтверждение теории через косвенное проявление ее следствий, например, как это было с общей теорией относительности. Последняя в рамках «привычного» мира практически не дает расхождений с классической теорией тяготения Ньютона. Поэтому постановка прямого эксперимента для проверки и выявления теории, которая лучше описывает окружающую действительность, тогда была невозможна, учитывая уровень развития техники в первой трети ХХ в. Но один из выводов общей теории относительности предсказывал отклонение любых частиц, в том числе и фотонов, в сильных гравитационных полях, и за основу наблюдения было взято предположение об отклонении лучей света, проходящих вблизи Солнца. Для наблюдения этого явления была организована специальная научная экспедиция в Западную Африку, где по астрономическим расчетам должно было наблюдаться полное солнечное затмение, которое позволило подтвердить предсказанный теорией эффект.
Эти историко-научные примеры отражают специфику познания в космологии. Познание Вселенной в первую очередь идет посредством наблюдение за ней и последующими попытками отразить наблюдаемую реальность в научных теориях. Большое развитие это получило в последнее время в связи с усовершенствованием технических средств и способов наблюдения. Ученым стали доступны новые области и инструменты исследований, что привело к большому числу открытий, сделанных в последние годы в области космологии. Они заставляют пересматривать фундаментальные космологические теоретические модели и выдвигать новые гипотезы, объясняющие наблюдаемые явления (проблемы «темной материи», «темной энергии», антигравитации и др.).
Во второй половине ХХ в. в рамках космологии исследуются вопросы о рождении Вселенной, проблемы теории «Большого взрыва» с акцентом на процессы, происходившие в точке сингулярности, когда плотность и температура вещества были бесконечны. В момент рождения Вселенной сама пространственная область, видимо, должна быть бесконечно малой, что приводит к принципиальной важности понимания происходивших процессов в этой микроскопической области на самых ранних этапах развития Вселенной. Моделируемый таким образом процесс предстает как некий «естественный полигон», в котором можно увидеть косвенные доказательства процессов физики элементарных частиц, происходивших в ранней Вселенной. Современные теоретические исследования периода начального расширения Вселенной ведутся с позиций квантовой космологии. При этом в отношении самых первых моментов времени (до 10-43 с) современная физика лишь предполагает проявления таких квантово-гравитационных эффектов в сверхсильных
полях, от осмысления роли которых зависит представление о строении Вселенной в целом. Эти эффекты не может описать ни классическая, ни даже квантовая физика, ибо в том и в другом случаях используются традиционные пространственно-временные представления. Попытки объяснить сингулярность пока лишь умозрительны и ведутся в рамках принципиально неклассических идей. Важное значение при этом имеют представления о пространствах, изменяющих во времени свои топологические свойства. Убедительным примером реализации таких представлений служит понятие суперпространства, являющееся абстрактным пространством, в котором сингулярность представляет собой некоторую особую узловую точку, сопрягающую области с различными топологиями. В подобном «метакосмологическом» фазовом переходе даже сами законы природы (физические законы) и фундаментальные константы меняются на новые.
Следует подчеркнуть, что механизм становления и функционирования Вселенной в настоящее время изучен лишь в общих чертах. Многие проблемы остаются пока открытыми. Это относится и к вопросу о природе начальной космологической сингулярности и ее поэтапной эволюции. «Действительно, согласно стандартному варианту теории горячей Вселенной, - пишет А. Д. Линде, - Вселенная должна была расширяться, постепенно остывая, из состояния, когда ее температура могла достигать Т ~ 10 19 ГэВ. Это означает, что на самых ранних стадиях эволюции Вселенной симметрия между сильными, слабыми и электромагнитными взаимодействиями должна была быть восстановлена. При остывании Вселенной должен был происходить ряд фазовых переходов, в результате которых симметрия между разными видами взаимодействий нарушалась» [8, с. 5]. Более конкретно можно выделить несколько гипотетических этапов эволюции начальных моментов образования Вселенной. Первый из них начинается от времени 10-43 с после начала Большого взрыва и длится до 10-35 с. Этому этапу соответствует сохранение Великого объединения (нет принципиальной разницы между сильными, слабыми и электромагнитными взаимодействиями) и несохранение барионного заряда (кварки смешаны с лептонами). Второй этап длится от 10-35 с до 10-10 с; при переходе в этот период сильные взаимодействия отделились от электрослабых, лептоны - от кварков, создалась барионная асимметрия Вселенной. В момент времени 10-10 с произошел фазовый переход, в рамках которого нарушилась симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями; в итоге изначальное супервзаимодействие расщепляется на четыре типа. На четвертом этапе - от 10-7 с до 10 2 с - появляются кварки, находящиеся в тепловом равновесии. На пятом этапе - 10 2 с и далее - образуется первичный водород и
гелий, что находит свое подтверждение наблюдениями его процентного состава во Вселенной. В такой дивергенции фундаментальных взаимодействий и выражается суть концепции супервзаимодействия.
Таким образом, в статье проанализирована возможность интерпретации и осмысления особенностей кос-момикрофизики в сопряжении с концепцией супервзаимодействия. При этом реализуется взгляд в определенном аспекте понимания единства современного физико-теоретического знания. Философское осмысление мировоззренчески значимых вопросов, возникающих в ходе развития научного знания, позволяет «вписать» сущность новых открытий в науке в современную культуру. Этому способствует и сам образовательный процесс, ибо ознакомление студентов с важнейшими мировоззренчески значимыми открытиями и идеями обеспечивается не только через научно-популярную литературу, но и посредством их (открытий и идей) философской рефлексии в самом учебном процессе. Это помогает и в понимании тенденций развития научной мысли. Одними из значимых вопросов является вопрос о происхождении Вселенной и ее дальнейшей эволюции, что во многом является предметом исследования в рамках современной космомикрофизики.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хокинг С. Мир в ореховой скорлупке. СПб.: Амфора, 2007.
2. Сахаров А. Д. Космомикрофизика - междисциплинарная проблема. Координация исследований по космомикрофизике // Вестн. АН СССР. 1989. № 4.
3. Хлопов М. Ю. Космомикрофизика. М.: Знание, 1989. (См. также: Хлопов М. Ю. Космомикрофизика. М.: URSS, 2011).
4. Жог В. И., Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия и единство физического знания// Философия науки. 1991. № 7.С.15-30.
5. Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики // Философия физики: Актуальные проблемы. М.: ЛЕНАНД, 2010. С.56-58.
6. Князев В. Н. Проблема «темной энергии» в контексте концепции супервзаимодействия // Наука и школа. 2012. № 3. С. 101-104.
7. Князев В. Н, Щетинина О. А. Философские аспекты астросинергетики // Гуманитарные науки и образование. 2012. № 3. С. 63-67.
8. Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М., 1990. С. 5.
