Современная наука в поисках единства материального мира

Идея единства мира проходит красной нитью через всю всемирную историю философской мысли. Ее отстаивают если не все, то почти вес выдающиеся мыслители. Единство мира мыслится в нескольких аспектах: 1) в виде бытия (эта сторона обсуждалась выше); 2) в смысле существования универсальных закономерностей, которые и постигаются философией; 3) в существовании единой субстанции. Единство мира невозможно доказать чисто умозрительно, без достаточного научного фактического и теоретического материала, но и отрицание этого единства также не может быть всерьез обосновано, ибо для этого также нет никаких научных доводов. Единство мира есть допущение, не противоречащее здравому смыслу. В пределах досягаемого науке оно постоянно находит свое обоснование: с точки зрения состава вещества в структуре небесных тел; форм и типов взаимодействия; характера причинности и т. п. Подтверждается оно и характером соотношения духовного и материального в рамках животного и человеческого бытия. Представление древних о многообразии мира как превращениях форм первоматерии отнюдь не так наивно (наивностью скорее является само убеждение в этой наивности). В этом разделе мы ограничимся скромной задачей: кратким описанием поисков «первоматерии» современной наукой. Безусловно, даже если они увенчаются успехом, это еще не будет означать «доказательства» единства мира и бытия как всеобщего целого. Останется еще мир психических явлений, мир объективного духа, трансцендентное и т. д. Но несомненно, что всеобщее онтологическое единство бытия должно проявляться в частном единстве материального мира, и сама формулировка такого единства, когда она будет найдена, получит огромное универсальное эвристическое значение во всем человеческом знании, подобно тому как физические термины «энергия», «поле» и др. приобретают общезначимый смысл вне чистой физики.

Как уже говорилось, классическая физика XVIII—XIX вв. основывала свое представление о единстве мира на механицизме: после открытия нового явления его старались описать механически. Так, например, первоначально пытались истолковать электромагнитное поле Фарадея — Максвелла. Английский физик Вильям Томсон, барон Кельвин (1824—1907), говорил: «Мне кажется, что подлинный смысл вопроса о том, понимаем ли мы данную физическую проблему, сводится к следующему: можем ли мы сконструировать соответствующую механическую модель?»^[1] Развитие теории качнуло ряд физиков в другую крайность — к построению чисто полевой, в особенности электромагнитной, картины мира. Этот период не был долгим, сто заслонили трудности, приведшие к созданию квантовой механики, а затем и работа в русле самой квантовой теории. Независимо от квантовых представлений и даже вопреки им (во всяком случае, вопреки всеобщей их интерпретации, о чем свидетельствует многолетний драматический спор с Бором) Альберт Эйнштейн начал разрабатывать единую теорию поля, которая у него так и не увенчалась успехом. В то время (1920—1950 гг.) под «единой теорией поля» подразумевалось объединение гравитации и электромагнетизма в геометрической теории, обобщающей общую теорию относительности. Неуспех Эйнштейна надолго «отвадил» теоретиков от повторения его усилий. Но поразительным образом оказалось, что сама квантовая теория, молодые энтузиасты которой с определенным скептицизмом относились к «классику» Эйнштейну^[2], в неизбежном развитии привела к его идее «единой теории» ! Рассмотрим это подробнее.

Вскоре после создания квантовой механики было доказано, что волновое и корпускулярное описание дополнительны друг к другу, а в математическом смысле эквиваленты. В картине Де Бройля^[3] — Шредингера^[4] «типичным частицам», например электронам, были приданы вполне определенные волновые свойства, которые удалось обнаружить экспериментально. С другой стороны, принцип дополнительности потребовал выяснения корпускулярных свойств единственного тогда известного значимого на микроскопическом уровне поля — электромагнитного (дело в том, что гравитация, столь существенная в больших и средних масштабах, допускает пренебрежение в масштабах атома и ядра). Концепция фотонов как квантов электромагнитного ноля была выдвинута Эйнштейном еще на заре квантовой теории, но строгое квантование электромагнитного поля, необходимое для единого описания с «частицами», оказалось очень трудной задачей. Полное ее решение дала квантовая электродинамика, завершенная только к середине 1950;х гг.

В рамках квантовой электродинамики корпускулярно-волновой дуализм оформился как концепция квантованного поля — математически весьма непростого объекта, позволяющего, однако, делать численные расчеты, допускающие сверку с экспериментом. Классические «частицы» и «поля» входят в эту концепцию па равных основаниях, тем не менее это единство было чисто формальным; по существу, оно никак не объясняет ощутимую разницу между «веществом» и «полем» в наглядном смысле. Непонятно, почему одни квантовые поля следует интерпретировать как реальные поля (свет), а другие — как частицы (электроны). Оказывается, есть объективная основа различия материи на «иоле» и «вещество». Вспомним исходную классическую картину. Понятие поля вводилось для удобства описания взаимодействий между частицами, находящимися на пространственном удалении. На квантовом уровне взаимодействие изображается как обмен между двумя частицами «вещества» частицей-переносчиком, квантом поля взаимодействия. Теория квантовых полей допускает самые разнообразные схемы такого взаимодействия и не обладает критерием, позволяющим различать кванты, которые могут быть квантами взаимодействия, и те, которые однозначно следует интерпретировать как частицы «вещества». Выдающееся открытие совершили ученые Ч. Янг и Р. Миллс (1954), указав общий принцип калибровочного взаимодействия. Согласно этому принципу существует выделенный класс квантовых полей — так называемые калибровочные поля, которые могут быть интерпретированы геометрически. Именно они должны считаться «истинными полями». Остальные квантовые поля обязаны взаимодействовать только с калибровочными полями (не непосредственно друг с другом!) и интерпретируются как поля материи^[5]. Электромагнитное поле — частный случай калибровочного (при определенном расширении теории и гравитация может быть истолкована аналогично).

Теория калибровочных полей сначала не привлекла к себе серьезного внимания, но с середины 1960;х гг. начала бурно развиваться и уже в 1970;е гг. получила законченный математический вид. Теория полей ЯнгаМиллса позволила унифицировать и дать единую формулировку понятию взаимодействия. В силу диалектики она же, прочертив строгую грань между «полем взаимодействия» и «веществом», казалось, положила новый барьер на пути к единой физической картине. Были известны и другие барьеры. Так, ряд теорем фактически запрещал нетривиальное объединение в одной группе симметрии пространственно-временных и так называемых «внутренних» свойств материи (типа «изоспина», «цвета» и др. -это все термины современной физики элементарных частиц). Формально общая теория квантовых полей по существу распадалась на отдельные, хотя и взаимодействующие, поля, изображающие известное многообразие элементарных частиц (кварки, электроны, мюоны, фотоны…). Глубокий прорыв, быть может ведущий к желаемому единству, был сделан открытием суперсимметрии. Концепция суперсимметрии позволила объединить калибровочное поле и «поле материи» в единый супермулътиплет. Упомянутые теоремы, запрещающие такое объединение, удалось обойти благодаря введению замечательного математического аппарата, обобщающего обычный математический анализ и геометрию. Аппарат суперматематики включил поразительные по свойствам нечетные величины, которым нельзя приписать числовых значений, но с которыми можно оперировать, как с обычными числами и функциями.

Какова картина сейчас? Создание современной единой теории поля связывают с объединением четырех известных типов взаимодействия. Помимо гравитационного, это электромагнитное и заметные только на микроуровне сильное и слабое ядерные взаимодействия. К настоящему моменту объединены электромагнитное и слабое взаимодействие в единой электрослабой теории Вайнберга^[6] — Салама^[7] (отличный от видевшегося Эйнштейну порядок объединения объясняется тем, что на микроуровне гравитационное взаимодействие слабее всех прочих, а «инициатором» объединения выступает именно физика элементарных частиц). Речь идет о теории Великого Объединения, куда вместе с электрослабым должны войти сильные ядерные взаимодействия. Наконец, теории супергравитации обещают окончательное объединение и с силами тяготения. Насколько достижимо полное объединение — сказать сейчас очень трудно. Ведь желанная для всех физиков теория должна, по идее, объяснить весь спектр элементарных частиц, да практически все, что есть в физике. Нет нужды объяснять, насколько трудна эта задача. По-видимому, ее «лобовое» решение невозможно (об этом свидетельствует обилие предлагающихся теоретических схем — лучшее доказательство имманентного несовершенства каждой из них). Пробуют обходные пути: через теорию твисторов, одно время очень популярную; через введение струн как рода первоматерии, более фундаментальной, чем уже привычные «ноля». Время покажет.

В заключение упомянем еще одну сторону поисков единства материального мира. Все сказанное выше оперировало с непосредственными субстанциальными свойствами материи. Между тем возможен подход, основанный на косвенном, но фундаментальном свойстве материи, заключающемся в принципе ее сохранения и неуничтожимости. Закон сохранения энергии, открытый в XIX в., сыграл колоссальную роль в консолидации научного знания. Впоследствии законы сохранения были глубоко проанализированы и связаны с фундаментальным свойством бытия — симметрией (так называемая теорема Нетер1). Сейчас все физические теории строятся так, чтобы автоматически удовлетворять законам сохранения. Поиск единого взаимодействия, выраженный на языке калибровочных полей, тождественен поиску единой симметрии материального мира. О глубине этого понятия красноречиво свидетельствует теория гравитации Эйнштейна, в которой все законы сохранения, собранные вместе, превращаются в тождество 0 = 0 (как следствие так называемых «свернутых тождеств Бьянки»). Некоторые физики склонны интерпретировать этот факт как несовершенство нынешнего понимания законов сохранения и/или общей теории относительности, но, как нам кажется, философу бояться тут нечего: на самой глубине мироздания должно неизбежно проступать чистое самотождественное бытие.

• [1] Максвелл, Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. — М., 1954. — С. 20.
• [2] На самом деле именно Эйнштейн стоял у истоков теории квантов (его Нобелевская премия получена именно за эти работы, а не за теорию относительности), но слишком глубоко ее понимая, он не желал смириться с чуждыми ему выводами, даваемыми вероятностной интерпретацией боровской «копенгагенской» школы, которые большинство физиков отождествляло с квантовой механикой как таковой.
• [3] Луи де Бройль (1892—1987) — французский физик-теоретик, один из создателей волновой механики, лауреат Нобелевской премии (1929).
• [4] Эрвин Шредингер (1887−1961) — австрийский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии (1933). Сформулировал основное уравнение волновой механики (уравнение Шредингера).
• [5] Слово «материя» здесь употребляется в наиболее узком, «вещественном» смысле.
• [6] Стивен Вайнберг (р. 1933) — американский физик. За создание объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействии ему присуждена Нобелевская премия (1979. совместно с Ш. Глэшоу и А. Саламом).
• [7] Абдус Салам (р. 1926) — пакистанский физик-теоретик, один из авторов объединенной теории электромагнитного и слабого взаимодействий (теория Вайнберга — Салама).