CC BY
157
проблема «темной энергии» в контексте
концепции супервзаимодействия
THE PHENOMENON OF "DARK ENERGY" IN THE CONTEXT OF SUPERINTERACTION CONCEPT
В. Н. Князев
В статье рассматриваются эпистемологические смыслы современных идей в рамках космомикрофи-зики, а именно концептуальное содержание теоретических моделей «темной энергии» в контексте объединительных тенденций в развитии современной физики. Концепция супервзаимодействия исследуется как основа единства всей фундаментальной физики, которая должна включить в себя понимание космического вакуума и антигравитации.
Ключевые слова: Вселенная, темная энергия, космический вакуум, антитяготение, концепция супервзаимодействия, космомикрофизика, единство физики.
Современное состояние профессиональной подготовки учителей физики требует ознакомления с фундаментальными научными исследованиями и достижениями в физическом познании. Одной из задач фундаментализации образовательной подготовки студентов педвузов следует считать изучение ими в рамках курса «Философия физики» содержательного смысла фундаментальных научных гипотез в контексте объединительных тенденций в современной физике, которые выражаются в поиске единого описания всех фундаментальных взаимодействий. В данной статье я рассмотрю современные мировоззренческие смыслы проблемы «темной энергии» в аспекте концепции супервзаимодействия [см.: 1-2].
В самом деле, проблема взаимодействия в современной физике занимает одно из центральных мест. Вопрос о природе взаимодействий и их классификации часто поднимался многими учеными за последние десятилетия. Их классификация претерпевала существенные изменения и являлась своего рода комплексным отражением достижений научной мысли.
В современной физике с первой половины XX в. выделяют четыре типа фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Каждое из взаимодействий изучается в определенном разделе физики, для них созданы различные физические теории, в рамках которых возможен анализ этих взаимодействий. В процессе дифференциации и специализации научного знания исторически сложилось так, что ученые первоначально, во многом неизбежно, обособили их друг от друга с целью познавательного исследования теоретических моделей, изучающих каждый отдельный тип фундаментальных взаимодействий. Это было исторически необходимым решением и во многих областях науки принесло свои по-
V. N. Knyazev
The article highlights epistemological senses of modern ideas in the framework of cosmomicrophysics, namely, the conceptual contents of the theoretical models of "dark energy" from the point of generalizing trends in the development of modern physics. The concept of superinteraction is researched as the basis of the whole fundamental physics, which must embrace understanding of such notions as "space vacuum" and "antigravity".
Keywords: the Universe, dark energy, space vacuum, antigravity, the concept of superinteraction, cosmomi-crophysics, unity of physics.
ложительные результаты. Скажем, такой подход в XIX в. был наиболее удачным при изучении электромагнитных процессов в рамках электродинамики Максвелла.
Хотя в нынешней системе образования и в академической науке все еще сохраняется узкоспециализированный дисциплинарный подход, но в современных реалиях становится очевидным необходимость системного, комплексного рассмотрения физических взаимодействий и выявления взаимосвязей между различными их типами. Действительно, сегодня наука исходит из того, что в реальности материальным образованиям свойственно неразрывное единство различных взаимодействий. Каждое взаимодействие есть сторона, грань материальных объектов, обуславливающая их свойства. В результате получается, что они накладываются друг на друга и тем самым создают различные свойства материальных структур. Хотя между собой они никак не взаимодействуют, но рассматривать их отдельно друг от друга также неправомерно.
Развитие физического познания в XX в. от первых попыток единых теорий поля к современным моделям объединения фундаментальных взаимодействий, по существу, привело к концепции супервзаимодействия, которая может быть охарактеризована как последовательный результат развития современных тенденций объединения различных физических представлений, интегративно выражающих идеи теории Великого объединения (Grand Unification) [3, с. 164], суперсимметрии, суперструн, супергравитации и глобально-эволюционного подхода. Очень важную роль для реализации всех этих тенденций играют фундаментальные физические константы. При этом следует отметить, что 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. Одними из наиболее убедительных являются результаты, достигнутые в рамках теории суперструн. Последнюю следует соотносить с самыми фундаментальными теориями современной физики и можно представить в качестве базового основания концепции супервзаимодействия.
Теорию струн можно интерпретировать как теорию, в которой фундаментальными объектами являются не нульмерные точечные частицы, а крошечные «одномерные нити», называемые струнами. Согласно теории струн, если бы физики смогли экспериментально исследовать эти частицы-нити с такой высокой точностью, то они бы обнаружили каждую из частиц как крошечную одномерную петлю. Внутри каждой подобной частицы - вибрирующее, колеблющееся, «танцующее» волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте, которое физики и назвали струной. Теория струн выявляет новый супермикроскопический уровень реальности - колеблющуюся петлю - в дополнение к известной иерархии, идущей от молекул к атомам, от атомов к нуклонам и электронам, от последних к кваркам и лептонам, а от них уже - к струнам. В самой теории струн, по сути, реализуется объединение идей и методов квантовой механики и общей теории относительности, что совершенно не достигалось ранее. До появления теории суперструн на субпланковском масштабе расстояний квантовые флуктуации становятся настолько явными, что нарушают критерии гладкости геометрии пространства, принятые в традиционной ОТО.
В современной физике получили распространение представления об «окончательной теории», на роль которой не без оснований претендует 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 Альберта Эйнштейна.
Концепция супервзаимодействия позволяет принципиально по-новому решать вопрос о единстве физического знания. Действительно, в рамках объединительных концептуальных моделей свойства наблюдаемого мира связа-
ны 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. Сегодня 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 ТВС.
Анализируя современную Вселенную и наблюдая явления, которые в ней происходят, можно узнать, соответствуют ли наши теории описания развития Вселенной тому, что мы сейчас наблюдаем. А это возможно, лишь реализуя междисциплинарный подход, так как необходимо охватить всю картину Вселенной в целом. Это приводит к интересным результатам, например к проблеме скрытой массы и темной энергии [см.: 4], которые выявляют, что мы практически ничего не знаем о большей части Вселенной и силах, которые ею управляют. Кроме этого, существование темной энергии приводит к мысли, что возможно существование и других видов взаимодействия (антигравитации), которые просто не встречаются в нашей области Вселенной и тем самым для нас являются как бы невидимыми.
Введение в научный оборот представления о существовании в природе темной энергии - слабовзаимодействующей физической субстанции, пронизывающей все пространство видимой Вселенной, - явилось сенсацией номер один в физике на рубеже ХХ-ХХ1 вв. и стало неожиданностью для большинства исследователей, в особенности работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии, то есть космо-микрофизики [5]. Действительно, признание факта существования темной энергии качественно изменило ситуацию в физике. Не будет преувеличением сказать, что выяснение физической природы темной энергии - это одна из важнейших центральных проблем современной астрофизики.
При этом одним из неожиданных результатов, полученных за последние полтора-два десятилетия, стало выяснение того факта, что известные частицы (протоны, нейтроны, ядра, электроны, фотоны и нейтрино) обеспечивают всего около 5% полной энергии в современной Вселенной. Большая часть энергии связана с темной материей (20-25%) и темной энергией (70-75%) [см.: 6, с. 528]. Эти формы физической реальности существенно различаются по своему поведению в расширяющейся Вселенной и имеют различные возможные интерпретации с точки зрения современной физики.
Природа темной энергии отлична от вещественной, поскольку в ней не присутствуют частицы вещества. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы, что позволяет говорить о том, что в нашем мире существуют как минимум три формы материи: вещество, физические поля и физический вакуум как наиболее тонкая форма материи. «Наблюдаемые сегод-
ня свойства темной энергии позволяют предполагать, что эта субстанция относится к той же форме материи, что и физический вакуум. Допустимы и обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума, и она неразрывно связана с присущими вакууму антигравитационными свойствами, иначе говоря, с силами гравитационного отталкивания» [7, с. 130].
Несколько отступая, следует подчеркнуть роль понятия «темной материи» в структуре современного физического знания. Темная материя, по-видимому, состоит из новых, неизвестных пока частиц. Таких частиц нет в стандартной модели, так что уже само представление о темной материи требует выхода за рамки этой модели. Частицы темной материи имеют те же свойства по отношению к гравитационным взаимодействиям, что и обычные частицы; они способны собираться в сгустки (гало галактик) и формировать гравитационные потенциалы. Исключительно велика роль темной материи в формировании структур во Вселенной - галактик, их скоплений и т. д. «Из результатов исследования этих структур, как и из изучения анизотропии и поляризации микроволнового реликтового излучения, следует, что частицы темной материи были нерелятивистскими уже на весьма ранних этапах эволюции Вселенной, что, скорее всего, связано с достаточно большой величиной их массы. В то же время частицы темной материи не имеют электрического заряда и вообще чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, иначе они были бы уже зарегистрированы в экспериментах по их прямому поиску» [8, с. 409].
Темная материя - это совокупность невидимых объектов во Вселенной, которые можно зафиксировать только по гравитационным аномалиям. Проблема установления физической природы темной материи - одна из самых актуальных проблем современной космологии. Эта проблема очень сложна и далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать, решение надо искать в физике квантового вакуума и элементарных частиц.
В отличие от темной материи, темная энергия равномерно «разлита» во Вселенной. Она обладает необыкновенными свойствами. Наблюдения свидетельствуют: Вселенная сегодня расширяется с ускорением. Возможно, это и есть энергия физического вакуума. Гравитационные свойства темной энергии сильно отличаются от свойств других форм энергии. Темная энергия не собирается в сгустки, она равномерно рассредоточена во Вселенной. Плотность темной энергии очень слабо изменяется или вообще не изменяется со временем. Наличие темной энергии приводит к ускоренному расширению Вселенной, так что можно условно сказать, что темная энергия выполняет функцию антигравитации. В рамках общей теории относительности это возможно, если данная субстанция имеет, помимо положительной энергии, отрицательное давление. Действительно, если плотность энергии постоянна или почти постоянна во времени, то при расширении Вселенной энергия (в сопутствующем объеме) растет как объем, так что давление должно быть отрицательным и равным или почти равным по абсолютной величине плотности энергии [9].
Перед наукой сегодняшнего дня встала задача -определить природу того, что названо темной энергией,
и объяснить ее доминирующую роль во Вселенной. Пока такая задача не выполнена, но можно высказать на этот счет некоторые предположения. Уже давно физики рассматривают вакуум не как пустоту, но как материальную среду, отличную от вещества. Имеются основания считать, что открытая астрономами темная энергия - это и есть энергия вакуума. Окончательное доказательство еще предстоит найти, но совокупность всех наблюдательных данных о темной энергии, полученных начиная с 1998 г., полностью согласуется с такой возможностью.
Главный итог космологических исследований последних лет таков: существование темной энергии и создаваемое ею антитяготение надежно и теперь уже окончательно доказано. «Согласно теории элементарных частиц, вакуум - это основное, то есть энергетически наинизшее, квантовое состояние поля или системы полей. Следовательно, вакуум есть проявление физического (материального) поля, и в отсутствие последнего нет и первого. Если во время сингулярности вся материя Вселенной была сконцентрирована в одной точке, то и все поля, а с ними и вакуум должны были быть «сжаты» до точки» [10, с. 75].
Современные открытия привели к решительной смене физической картины мира, к совершенно новому пониманию того, что представляет собой современная нам Вселенная. Как оказалось, в ней господствует космический вакуум с его антигравитацией, которая заставляет галактики с ускорением разбегаться друг от друга. Но ни галактики, ни его собственная антигравитация, ни даже само время не способны воздействовать на нынешний космический вакуум - он абсолютно неподвижен, неизменен и вечен. Мы неожиданно осознали, что живем в четырехмерном пространстве-времени, которое недавно завершило свою космическую эволюцию и к нынешней эпохе практически достигло идеально регулярного, геометрически симметричного состояния, которое будет затем длиться неограниченно долго. Таковы главные аспекты современных когнитивных представлений о темной энергии с позиций философской онтологии.
Модели суперобъединения непосредственно связаны с проблемами космологии и космогонии, то есть с возрастом и другими параметрами Вселенной. Суперобъединение подразумевает унификацию всех фундаментальных сил природы. Появились различные «сценарии» (модели) жизни Вселенной, стремящиеся теоретически выявить связь между элементарными частицами, вакуумом и гравитацией. Все эти модели основываются на многомерной интерпретации взаимодействий. При этом и сегодня в полной мере справедливы рассуждения Я. Б. Зельдовича и Л. П. Грищука: «В настоящее время широко распространено мнение, что в близком будущем возникнет некая "всеобщая теория", "theory of everything'; кратко ТОЕ, как ее называют в англоязычной литературе. Эта теория объединит тяготение с другими силами природы -электромагнетизмом, слабым взаимодействием и хромоди-намикой (теорией кварков, глюонов и ядерных сил). Более того, общее мнение состоит в том, что ТОЕ предскажет новые частицы и поля, до сих пор не обнаруженные в лабораторных опытах. Эти частицы и поля могут играть существенную роль в космологии. Далее, ряд авторов полагают, что в основе ТОЕ
лежит пространство более чем четырех измерений (например, Д = 10,11 или 26?), из которых «выживают» как время и пространство только 4» [11, с. 250]. На этих рассуждениях основано наше представление о «супервзаимодействии». Как видно, в этом направлении сделаны лишь первые шаги и пока реалистическая модель супервзаимодействия не создана. А в перспективе она должна включить в себя теоретическое осмысление антигравитации как пятого типа фундаментальных взаимодействий.
В рамках инфляционной космологии обсуждается модель хаотического раздувания. Согласно последней, глобальная геометрия нашего мира принципиально отличается от геометрии мира Фридмана. Вселенная как бы состоит из отдельных фрид-мановских мини-вселенных с разными свойствами, и жизнь земного типа может возникнуть лишь в части мини-вселенных, условия в которых достаточно благоприятны для этого (ан-тропный принцип). В некоторых из этих мини-вселенных размерность пространства-времени может быть отлична от четырех, а вместо слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий могут, вообще говоря, существовать взаимодействия совершенно других типов с другими константами связи.
Ныне единство физического знания находит свое выражение в конкретном многообразии научных теорий, в единстве концептуально-понятийных структур физики, их методологических оснований, в принципиальном единстве физической картины мира, стилей мышления, исследовательских программ, математического формализма. Существенные аспекты единства физического знания реализуются через принципы соответствия, преемственности, детерминизма, системности, целостности, единства мира, всеобщей взаимосвязи и развития, самоорганизации и структурности, проявляются в диалектике конкретного и абстрактного, объективного и субъективного, абсолютного и относительного, исторического и логического, симметрии и асимметрии, линейности и нелинейности.
Идея единства научного знания существует в тех или иных конкретных формах в рамках накопленной совокупности знаний. При этом наиболее приемлемой интерпретацией термина «единство» является общность, системность, взаимообусловленность. Думается, что характеристики системности и взаимообусловленности физического знания выступают наиболее адекватными современному этапу развития физики.
При рассмотрении проблемы единства физики в аспекте теоретического знания прежде всего бросается в глаза то, что физика как единая наука характеризуется многообразием фундаментальных теорий. При этом, несмотря на разветвленность теорий, единство физики существует и имеет различные проявления, в том числе в виде определенных методологических регулятивных принципов, в плане единства методов или единства фундаментальных физических констант и взаимодействий.
Концепция супервзаимодействия по-новому ставит вопрос о фундаментальности так называемых фундаментальных типов взаимодействий. Еще недавно электромагнитные, слабые, сильные и гравитационные взаимодействия считались чуть ли не абсолютно фундаментальными потому, что
каждый из этих типов нельзя ни объяснить, ни вывести из существования других видов взаимодействий. Типы фундаментальных взаимодействий различаются по величине константы связи. Однако нет абсолютной неизменности констант связи, а так называемые эффективные константы связи изменяются в зависимости от энергетических параметров. При сверхвысоких энергиях (в масштабе планковских параметров - 1019 ГэВ) теоретически установлена тенденция к слиянию констант связи, что приводит к представлению об унификации всех фундаментальных сил природы. Согласно концепции супервзаимодействия, само оно (супервзаимодействие) есть не номинальный, а реальный динамический процесс самоорганизации материи, начавшийся с Большого взрыва. Это позволяет на основе теоретической экстраполяции моделировать сам механизм «расщепления» супервзаимодействия на «дочерние ветви», рассматривать дальнейшую дивергенцию фундаментальных взаимодействий и обсуждать различные «сценарии» эволюции Вселенной. Одновременно процесс самоорганизации и усложнения мира задает направленность космологической «стрелы времени», которая связана с необратимостью последовательных переходов от одних бифуркаций к другим. Основываясь на таком понимании «теории Всего», физика должна вскрыть внутреннюю связь между элементарными частицами, вакуумом и всей Вселенной, что и является центральной задачей современной космомикрофизики.
список источников и ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жог В. И., Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия и единство физического знания // Философия науки. 1991. № 7. С.15-30.
2. Князев В. Н. Концепция супервзаимодействия в философии физики // Философия физики: Актуальные проблемы. М.: ЛЕНАНД, 2010. С. 56-58.
3. Брайан Г. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности. М.: Книжный дом «ЛИ-БРОКОМ», 2009.
4. Чернин А. Д. Темная энергия и всемирное антитяготение // УФН. 2008. Т. 178. № 3. С. 267-298.
5. Хлопов М. Ю. Основы космомикрофизики. М.: URSS, 2011.
6. Гинзбург И. Ф. Нерешенные проблемы фундаментальной физики // УФН. 2009. Т. 179. № 5.
7. Ровинский Р. Е. Мировоззренческие проблемы физической науки, исследуемые XXI веком // Вопросы философии. 2008. № 3.
8. Рубаков В. А. Иерархии фундаментальных констант // УФН. 2007. Т. 177. № 4. С. 409-413.
9. Троицкий С. В. Нерешенные проблемы физики элементарных частиц // УФН. 2012. Т. 182. № 1. С. 90.
10. Гивишвили Г. В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный принцип // Вопросы философии. 2008. № 5. С. 75.
11. Зельдович Я. Б., Грищук Л. П. Общая теория относительности верна! // УФН. 1988. Т. 155. Вып. 3.
