Онтология: частицы и поля

Для любой теории актуальным является вопрос о ее не только ментальном и языковом, но и онтологическом представлении. Оно является ответом на вопрос: «Какие объекты существуют согласно содержанию теории?». Нечто существующее должно осмысливаться в рамках теории, такова суть онтологического подхода. Ссылка на теорию с ее далеко не очевидными концептами сразу же сообщает вопросу о реальности концептуальную остроту. Может ли теория свидетельствовать о реальности? Если да или нет, то почему?

Автор долго думал над этими вопросами, сопоставляя данные различных наук, и пришел к следующему выводу. О реальности свидетельствуют все концепты, которые не искажены в силу тех или иных обстоятельств. Если, упрощая теорию, преднамеренно оперируют абстракциями и идеализациями, то противоестественно считать, что они представляют реальность в адекватном виде. С другой стороны, какими бы сложными ни были неискаженные понятия теории, нет оснований отказывать им в онтологической значимости. В противном случае непонятна их действенность. Разумеется, рост научного знания приводит к изменению представлений о реальности. А это означает, что приходится мириться с недостаточностью наших знаний о реальности.

Еще одно общенаучное замечание состоит в том, что при рассуждении о реальности, как правило, комбинируются два подхода — атомарный и структурный. При атомарном подходе целое воспроизводится как составленное из «кирпичиков», т. е. из отдельных вещей, не обладающих внутренним строением. При структурном подходе основополагающее значение придается целому, которое часто называют системой или структурой. Атомарное же считается проявлением структуры. Борьба атомистов со структуралистами порой принимала ожесточенные формы, но победитель так и не был выяснен. Это наводит на мысль, что состоятельны оба подхода, а не один из них.

Наконец, отмечу еще одно актуальное обстоятельство, которое также должно учитываться при обсуждении онтологических вопросов. В теории любой объект понимается как единство признаков. В уравнениях физики указываются массы, импульсы, протяженности и длительности, которые характеризуют некоторые объекты, например, элементарные частицы, ядра атомов и молекулы.

Итак, при обсуждении онтологических вопросов следует иметь в виду следующие положения общенаучного содержания.

• 1. О вещах судят на основании теории.
• 2. Онтологической значимостью обладают все неискаженные, в частности, операциями абстрагирования и идеализирования, концепты.
• 3. Не обнаружен победитель в противостоянии атомарного и структурного подходов.

После сказанного разумно обратиться непосредственно к онтологии квантовой теории поля, в которой, как правило, основное значение придают соотношению элементарных частиц и полей. При атомарном подходе считают, что поле состоит из частиц. При структурном подходе частицы истолковываются как компоненты (возбуждения) поля. Можно сказать, что атомарный подход состоит в корпускулярной интерпретации теории, а структурный — в полевой. Отмечу также, что исследователи, имея дело с дилеммой частицы — поле, как правило, сопоставляют ее классическую, квантово-механическую и квантово-полевую интерпретации.

Классическая интерпретация обычно связывается со статусом электродинамики Максвелла. В ней поля интерпретируются в качестве передатчиков взаимодействий от одного макротела к другому. Компоненты поля не являются телами, т. е. они не обладают макроскопическими формами. До тех пор, пока макротела сравниваются с полями, их принципиальное отличие друг от друга «бросается в глаза» и не вызывает сомнений. Но ситуация резко меняется при переходе к квантовой механике.

В квантовой механике рассматриваются не макро-, а микротела в статусе либо элементарных частиц^[1], либо микрочастиц. По определению элементарные частицы, в отличие от микрочастиц, не обладают внутренним устройством, т. е. не состоят из других корпускул. В отличие от макротел они не обладают четко заданными протяженностями и длительностями. Одно это обстоятельство затрудняет их различение с классически понимаемыми полями.

Квантовая теория поля позволила описать устройство полей, связав его с существованием… частиц. Дилемма макротела — поле вроде бы разрешилась переходом в соотношение одной частицы с их совокупностью. Но как только приступают к онтологии, т. е. учитывают концептуальное устройство квантовой теории поля, так сразу же выясняется, что сделанный выше вывод поверхностен. Вопрос о корпускулярной и полевой интерпретации квантовой теории поля оказывается насыщенным многочисленными проблемными аспектами. Их обсуждение определяется необходимостью прояснения концептуального содержания квантовой теории поля. Если, например, речь идет о частицах, то недостаточно постулировать их реальность на основании, например, фиксации треков в пузырьковых камерах или щелчков в счетчиках Гейгера. То, что фиксирует физик в эксперименте, должно быть объяснено посредством концептов. О физической реальности свидетельствует физическая теория, в том числе и ее экспериментальная часть, и более ничего. Не исключено, что само представление о частицах и полях устарело. Несомненно, впрочем, что как корпускулярная, так и полевая интерпретация квантовой теории поля встречается со значительными трудностями. Обратимся для начала к корпускулярной интерпретации квантовой теории поля. Она получила содержательное и довольно детальное освещение в обзорной статье М. Кульмана^[2]. Перечислим его основные аргументы.

• 1. В 1939 г. Е. Вигнер показал, что если релятивистская квантовая механика может быть корпускулярно интерпретирована, то возможным типам частиц соответствуют неприводимые унитарные представления группы Пуанкаре^[3]. Многие посчитали, что теорема Вигнера является доказательством существования частиц. В действительности же вопрос о неизбежности корпускулярной интерпретации даже не обсуждался.
• 2. Согласно теореме Рее — Шлидера^[4] измерения не позволяют различать квантово-полевые состояния n-ой частицы и вакуума^[5]. Следовательно, не имеет смысл говорить об отдельной частице.
• 3. В 1996 г. Д. Маламент доказал теорему о невозможности сочетать для систем с фиксированным числом частиц в рамках релятивистской квантовой механики положение о существовании локализованной отдельной частицы с условиями причинности^[6]. Он не доказал несостоятельность концепта частицы, но существенно подорвал веру в необходимость понимания частицы в качестве локального образования.
• 4. Согласно эффекту Б. Унру^[7] при отсутствии теплового излучения в инерциальной системе отсчета оно, тем не менее, присутствует в ускоряющейся системе отсчета. Кажется странным, что само существование частиц зависит от избранной системы отсчета.

Кульман не считает, что удалось показать несостоятельность корпускулярной интерпретации квантовой механики. Он, однако, отмечает ее многочисленные проблемные аспекты. Теперь перейдем к рассмотрению полевой интерпретации квантовой теории поля.

Довольно часто полагают, что недостаточность корпускулярной интерпретации свидетельствует в пользу полевой интерпретации. Но такой довод не очень убедителен, ибо он также нуждается в соответствующем детальном концептуальном анализе. Как выясняется, подобно корпускулярной интерпретации полевое истолкование квантовой теории поля предполагает онтологическое рассмотрение. Оно предваряется вопросом о статусе физического поля. Чем поле отличается от частицы?

К сожалению, классическая физика может сообщить о статусе поля немногое. В отличие от частицы оно считается физической реальностью, которая определена в каждой точке пространства. Подчеркивая это обстоятельство, говорят, что поле обладает бесконечным числом степеней свобод. При переходе к квантовой теории поля каждая из этих степеней свобод задается некоторым оператором, который называют полевым оператором, ибо он относится к полю по определению. Но при этом сам концепт поля используется в его неопределенной, интуитивной оболочке. Между тем введение операторов приводит к кардинальным изменениям. Классическое понятие поля оказывается полностью не у дел. Операторы задают возможные, а не действительные значения наблюдаемых, которые соотносятся с различными точками пространства. Но само это пространство нуждается в определении, да и понятие точки навевает сомнения.

Определенную тональность в анализе рассматриваемого положения дел задал Р. Теллер в его нашумевшей книге. Он ввел понятие детерминируемой величины^[8] (determinable), которая выступает как множество признаков, ее детерминант, лишь одна из которых может принадлежать квантовому индивиду. Он пишет: «Полевая конфигурация детерминируемых величин (или их коллекции) является специфическим распределением, посредством которого каждой точке пространства-времени приписывается значение (или значение каждой детерминируемой величине данной коллекции)»^[9].

Назвать полевую конфигурацию или совокупность детерминируемых величин полем Теллер не решается. В итоге он приходит к выводу, что полевая интерпретация несостоятельна. С учетом концептуального содержания квантовой теории поля можно говорить о совокупности полевых операторов, детерминируемых величинах, наблюдаемых, являющихся признаками некоторых полевых квантов, но не о поле как таковом. Прилагательное «полевое» указывает не на поле, а на теорию, которую по историческим основаниям назвали «квантовой теорией поля» .

Аргументация Теллера нашла поддержку у многих авторов, выступающих против полевой интерпретации. Д. Бейкер в этой связи обращает особое внимание на пространство Фока, алгебраическую конструкцию, используемой для описания в квантовой теории поля переменного или неизвестного числа частиц. Часто именно с пространством Фока связывают реальность квантового поля. Согласно аргументации Бейкера, концепт «пространство Фока» выработан на основе корпускулярной интерпретации. Ее несостоятельность влечет за собой также несостоятельность полевой интерпретации в случае, если она обосновывается ссылками на пространство Фока^[10]. В этом же ключе критикуется и концепция вторичного квантования, относящегося якобы к полю, но опять же понимаемого посредством корпускулярной интерпретации.

Таким образом, как корпускулярная, так и полевая интерпретация встречаются со значительными трудностями. С определенной точки зрения такая ситуация не кажется странной. Имеется в виду, что первоначально концепты частицы и поля были выработаны в классической физике. Нет ничего удивительного в том, что от них, возможно, следует отказаться в квантовой теории поля. Тем не менее без представления о частицах и полях онтология квантовой теории поля выглядит вроде бы искусственно опустошенной. Но есть ли вообще альтернатива корпускулярной и полевой интерпретации? По мнению автора, есть.

Вспомним те три положения общенаучного содержания, которые были приведены в начале параграфа. Представляется, они вполне актуальны в деле выработки квантовой онтологии. Решающее значение имеет следующее обстоятельство: всем неискаженным концептам квантовой теории поля соответствуют определенные виды реальности. А это означает, что нет необходимости противопоставлять частицы и поля в качестве чемпионов реальности операторно-значимым функциям и алгебре наблюдаемых. Нет подлинной квантовой реальности в единственном виде. Она многолика и концептуально содержательна.

Второй вывод касается принадлежности наблюдаемых. Они ведь не существуют сами по себе. Как назвать те вещи, которым они принадлежат? Можно их называть квантовыми объектами, или даже квантами, как предлагал Теллер. При этом нет необходимости брать какие-либо обязательства перед дилеммой частицы — поле. Всякий раз, когда следуют этим обязательствам, непременно вводят априорные представления, инициированные схоластическими рассуждениями, а не концептуальным содержанием квантовой теории поля.

Наконец, следует упомянуть также противостояние атомарного и структурного подходов. Вряд ли следует первый из них связывать с концептом частицы, а второй — с концептом поля. По мнению автора, в квантовой теории поля используют оба подхода. Выражаясь несколько рискованно, можно сказать, что часть определяет целое, а целое — часть. Два этих подхода дополнительны в боровском смысле. Акцент на одном из подходов так или иначе приводит к умалению достоинств другого метода.

Остается отметить, что отрицание корпускулярной интерпретации не накладывает вето на использование термина «частица». Частица является разновидностью квантовых объектов. В онтологии квантовой теории поля не отрицается, что существуют фотоны, электроны, кварки и другие частицы. Впрочем, рассуждая о частицах, следует избегать опасности некритического отношения к корпускулярной интерпретации квантовой теории поля.

Выводы

• 1. Реальность, изучаемая посредством квантовой теории поля, определяется непосредственно в самой теории.
• 2. Разумно ввести представление о квантово-полевом объекте, отличая его от объектов классической и квантово-механической физики.

• [1] Часто элементарными частицами считаются все субъядерные частицы.
• [2] Kuhlmann М. Quantum field theory // URL: plato.stanford.edu/ entries/quantum-field-theory/.
• [3] Wigner E. P. On unitary representations of the inhomogeneous Lorentz group // Annals of Mathematics. 1939. Vol. 40. P. 149−204.
• [4] Reeh H., Schlieder S. Bemerkungen zur Unitaraquivalenz von Lorentzinvarianten Feldern // Nuovo Cimento. 1961. Vol. 22. No. 5. P. 1051- 1068.
• [5] Из теоремы Pee — Шлидера не следует отрицание принципа причинности. Наблюдения, проводимые в различных областях, не воздействуют друг на друга (их операторы коммутируют). (Прим. авт.)
• [6] Malament D. In defense of dogma: why there cannot be a relativistic quantum mechanics of (localizable) particles // Clifton R. Perspectives on Quantum Reality / Ed. Clifton R. Non-Relativistic, Relativistic, and Field-Theoretic. DordrechtBostonLondon: Kluwer, 1996. P. 1−10.
• [7] Unruh W. G. Notes on black hole evaporation // Physical Review. Ser. D. 1976. Vol. 14. No. 4. P. 870−892.
• [8] Думается, Теллер вполне мог обойтись термином «наблюдаемая», не заменяя ее термином «детерминируемая величина». (Прим. авт.)
• [9] Teller Р. An interpretive introduction to quantum field theory. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995. P. 95.
• [10] Baker D. J. Against field interpretations of quantum field theory // URL: wvw.philosophy.fas.nyu.edu/docs/ΙΟ/6619/AgainstFields.pdf/.