Современная космология: философские горизонты

Коллектив авторов

К этим двум подсистемам добавляется подсистема, введенная Дираком, представляющая собой нулевые колебания различных полей. Они всегда наличествуют, но рассматриваются уже на фоне конденсатов.

Подчеркнем, что подобная классификация вакуумных подсистем соответствует современной ступени познания мира, но уже сейчас понятно, что все эти три подсистемы есть различные проявления единой универсальной вакуумной структуры, соответствующей описанию мира в терминах единой универсальной геометрии.

Эксперименты на Большом адронном коллайдере: надежды и прогнозы

Представленность целостного мира в виде двух подсистем — вакуумной и подсистемы возбуждений вакуума — сама по себе является прогнозом сложной гетерогенной структуры вакуума. Выявлению особенностей внутренней структуры вакуума служит комплекс экспериментов, запланированных к постановке на Большом адронном коллайдере.

На Большом адронном коллайдере предполагается осуществление пяти научных программ: 1) поиск бозонов Хиггса — H– бозонов, открытие которых является одним из узловых вопросов стандартной модели квантовой теории поля; 2) поиск нейтралино, из которых, предположительно, состоит «темная материя», что явилось бы подтверждением теории суперсимметрии, лежащей в основе построения единой теории поля; 3) изучение кварк-глюонной плазмы, возникающей в области соударений высокоэнергетических тяжелых ионов. В этом эксперименте в области пространства масштаба размеров ионов будет проведено разрушение структур хромодинамического вакуума. После искусственного перевода хромодинамического вакуума в неравновесное состояние будут изучаться процессы его релаксации в устойчивое состояние в режиме реального времени; 4) детальное

изучение протон-протонного взаимодействия с целью изучения изменений свойств пространства (вакуума) в окрестностях столкновения протонов. Протоны при этом как бы разбухают, но границы каждого из них становятся более резкими и, кроме того, в результате перестройки вакуума вероятность взаимодействия протонов увеличивается. Совокупность этих трех свойств взаимодействия адронов при высоких энергиях принято называть BEL — эффект (Black-Edge-Large). Вопрос состоит в том, как BEL — эффект проявляет себя при больших энергиях, будет ли получено согласование эксперимента с теоретическими предсказаниями; 5) изучение свойств вакуума в области слабых взаимодействий с целью выяснения деталей эффекта нарушения комбинированной четности (СР — инвариантности). На коллайдере предполагается исследование осцилляций b– мезонов, которые с хорошей вероятностью рождаются в протон-протонных взаимодействиях. В процессах с участием b– мезонов должны количественно заметно проявляться физические явления, ответственные за необратимость времени, и в экспериментах на LHC эти явления будут изучены детально.

Последние три из перечисленных выше экспериментальных программ дадут, как предполагается, реальные результаты, служащие уточнению существующих теорий. Что касается первых двух, то здесь вполне возможны разочарования, связанные с неподтверждаемостью возлагаемых на эти эксперименты ожиданий физиков.

В простейшем варианте теории предсказывается самая простая структура вакуумного хиггсовского конденсата, характеризуемая только одним энергетическим параметром. Такая структура имеет только один тип возбуждений, который в эксперименте должен проявляться как электронейтральный хиггсовский бозон H⁰. Если эксперимент подтвердит существование только одного хиггсовского бозона со свойствами, полностью соответствующими предсказаниям Стандартной Модели, то на повестку дня выдвинутся проблема поколений и проблема выделенного статуса нейтрино^[313]. В этом случае с необходимостью должна быть востребована качественно новая информация, лежащая уже за рамками Стандартной Модели.

При другом результате эксперимента, подтверждающем более сложный вариант Стандартной Модели, в котором хиггсовый конденсат описывается тремя физическими величинами, а в его спектре возбуждений уже 5 бозонов Хиггса — 2 заряженных Н^± и 3 нейтральных: Н₁⁰, Н₂⁰ и А⁰, возникают перспективы для подтверждения концепции суперсимметрии. В случае подтверждения концепции суперсимметрии возникает основа для развития новых представлений о пространстве-времени и о «темной материи».

Становится понятным, что существующая теоретическая стратегия в значительной своей части уже сейчас имеет экспериментальное подтверждение, часть проблем планируется разрешить с помощью экспериментов на Боль-шом адронном коллайдере, однако многие вопросы, по-прежнему, будут оставаться длительное время без ответов. Это плата за дерзновенность самого замысла. Сейчас можно сделать вполне определенные прогнозы, являющиеся следствием достаточно смелых, но и надежных экстраполяций, являющих собой вполне конкретные теоретические разработки. А именно: на очень малых пространственновременных масштабах мы обязательно обнаружим дополнительные вакуумные структуры, связанные с расслоенной супергеометрией, являющиеся локальными проявлениями многомерных структур. Вопрос состоит в том, какая из имеющихся теоретических моделей в большей степени будет соответствовать экспериментальным результатам, на каких масштабах энергий? Но уверенность в том, что программа унификации (программа единой теории поля, включающей в себя концепцию суперструн) должна быть неизбежно связана с представлениями о сложной гетерогенной структуре вакуума и многомерностью пространства-времени, в среде ученых остается практически непоколебимой.

Характерно, что проблемы, обсуждаемые в рамках антропного принципа, согласно которому существование Вселенной в ее нынешнем виде (с присутствием в ней человека) зависит — и весьма критическим образом — от конкретных значений масс элементарных частиц и от величин констант фундаментальных взаимодействий, имеют, так сказать, вакуумную подоплеку. В работе¹ показано, что эти значения отражают свойства физического вакуума и, более того, формируются ими.

Программа унификации с включенным в нее антропным принципом вновь ставит вопрос о глубинной взаимосвязи Вселенной, Жизни и Разума, ставит вопрос о Человеке и его миссии в этом мире. Все опять же возвращается в лоно вечных проблем, наиболее четко сформулированных И. Кантом: «Что я могу знать? Что я должен делать? На что я могу надеяться?»^[314]. А это на современном уровне познания мира «подстрекает» к попытке сопоставления по уровню сложности биологические структуры и структуры гетерогенного вакуума.

Границы познаваемого

Биологические структуры построены из квантов фермионных и бозонных полей, масштабы которых достигают 10^{– 8} см. Что касается вакуумных подсистем, то масштабы их функционирования от 10^{– 13} до 10^{– 30} см. То есть это системы, весьма различные по масштабам. Что понимается при их сопоставлении под уровнем сложности? Будем считать, что сложность объекта напрямую связана с количеством функциональных связей между элементами структуры и возможностями записи на этих структурах информации о самих объектах и об их истории, а также возможность использования этой информации для выработки реакций на изменение условий, в которых этих структуры существуют. Можно определенно утверждать, что сложность гетерогенного вакуума, по меньшей мере, одного порядка со сложностью биологических систем. Обе структуры являются эволюционирующими. Причем, если говорить о вакууме, то в области релятивистских фазовых переходов имеет место перестройка вакуума с рождением различных по своим свойствам объектов физического мира за счет диссипации энергии вакуума. Обе структуры обладают свойством самоорганизации. Самоорганизацию мы рассматриваем как способность реагировать на внешние условия, сопротивляясь их влиянию на разрушение структур. Само по себе понятие самоорганизации телеономично, ибо содержит в себе целеполагание на сохранение. Жизнь, с нашей точки зрения, — это способность реагировать на внешние условия с использованием информации. Здесь также существует цель, связанная с сохранением и воспроизводством. Разум — это способность реагировать на информацию с использованием ее для прогнозирования будущего. Можно сказать, что и здесь та же цель, но которая сопровождается тенденцией к изменению внешней среды в соответствии с оптимизацией условий существования. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в этой цепочке явно прослеживается расширение содержания понятия цели, и каждый раз расширяется количество информации и режим переработки этой информации. Излишне подчеркивать, что любая система имеет ограниченные возможности к прогнозу. Подобная способность разума должна быть обусловлена тем, что он представляет собой более сложную систему, чем среда, в которую он помещен. Если Вселенная способна к прогнозированию своей эволюции, то возникают (нередко повторяемые в ряде работ современных ученых) гипотезы о ее разумности или о Мировом Разуме. Излишне говорить о претенциозности и преждевременности такого подхода. Однако и точка зрения, базирующаяся на материализме, даже понятом в русле спинозовской концепции (на основании которой разум, мышление рассматривается в качестве атрибута материи, как необходимое условие самодвижения материи^[315]), требуют в связи с полученными в физике результатами более внимательного рассмотрения. При таком подходе подразумевается, что само мышление, человеческий разум представляют собой более сложную систему, чем организующая его среда во всей ипостаси своего исторического развертывания. Это и составляет кредо антропоцентричного подхода. А что, если это не так? На повестку дня опять-таки выдвигаются такие ноумены, как мир в целом и душа. Если

стать на редукционистские позиции и под душой человека понимать некоторое ин-формационное поле, то здесь наука находится далеко от границы познаваемого. Здесь ноуменальность прямо-таки налицо. Известно, что в физике информационные поля известны давно, информационные поля учитываются в квантовой физике и математически описываются вектором состояния. Напомним, что вектор состояния в математической форме содержит информацию о статистических распределениях всех физических величин, характеризующих микрообъект. Но в терминах статистического распределения можно представить любую информацию. Заметим, что именно это обстоятельство имеют в виду при разработке нанотехнологий для телекоммуникационных систем, целиком основанных на квантовой механике. Таким образом, информационные поля в физике есть. Существует весьма важный аспект. Дело в том, что согласно аксиоматике квантовой механики эти поля линейны. И это одна из причин, по которой буксует построение унифицированной теории. До тех пор, пока информационные поля в фундаментальной физике имеют линейный характер, ни о каком методологическом прорыве, использующем идею самоорганизации эволюционирующей Вселенной, говорить не приходится.

Что касается мира в целом, то это уровень рассуждений, презентирующий себя на научном уровне в рамках квантовой космологии. Сам термин «квантовая космология» является в некотором смысле спорным, потому что попытки квантования гравитационного поля по сей день не увенчались успехом: общая теория относительности и квантовая физика все еще только на пути к взаимосогласованию. Между тем, под квантовой космологией традиционно понимается область исследований, для которой такое согласование принципиально. Это масштабы энергий от 10¹⁶ до 10¹⁹ ГэВ (или от 10^{– 30} до 10^{– 33} см). На этих масштабах произошли явления, которые сформировали последующий облик Вселенной, сформировали свойства гетерогенного вакуума. Как отмечал Кант, «разум в своих изысканиях перешагивает все возможные границы», потому и в этой сфере существуют различные гипотезы, имеющие в определенном смысле фантасмагорические оттенки. Повторим, что существующая парадигма квантовой теории основана на делении мира на две подсистемы с последующим согласованием их свойств в рамках концепции целостности. Единственный способ введения даже линейных информационных полей сводится в теории к процессу квантования. Квантовая механика строится на основе классической заготовки, а потом проводится квантование. В попытках построения унифицированной теории эта попытка распространяется и на геометрические теории. Принципиальное значение здесь имеет следующее обстоятельство: идея целостности физических объектов и средств наблюдения реализуется в квантовой теории и в классических геометрических теориях различным образом. В квантовой теории она реализуется процессом квантования, переходом к операторному представлению, а в классических геометризированных теориях — путем введения дополнительных уравнений, задающих систему отсчета и, следовательно, состояние наблюдателей. Здесь надо иметь в виду, что в классической геометризированной теории система отсчета определяется как система, включающая множество наблюдателей, в отличие от квантовой теории, где система множества наблюдателей сразу приводит к проблемам. Таким образом, синтез квантового и геометрического представлений о природе физических полей является далеко нетривиальной задачей. По существу, здесь делается попытка двумя альтернативными способами, совместимость которых не очевидна, реализовать одну методологическую концепцию. Понятно, что нужна ключевая идея, объединяющая квантовый и геометрический подходы. Формулировку этой идеи надо искать при анализе тех проблем, которые существуют в обеих обсуждаемых теориях. Концепция целостности, реализующаяся в геометризированных теориях, по своей сути эквивалентна идее самоорганизации. Однако без идеи самоорганизации невозможен анализ и тех проблем, которые возникают в квантовой теории при наличии множества наблюдателей. Квантовая теория, с одной стороны, использует концепцию многовариантности путей эволюции (вероятностная динамика всегда многовариантна). А, с другой стороны, именно она решает проблему устойчивости основных физических состояний (электрон не падает на ядро, например). Сопоставление этих двух аспектов квантовой теории приводит к мысли, что постоянная Планка «h» является отражением происходящих в природе процессов самоорганизации, причем на самом фундаментальном уровне представлений о материи и пространстве-времени. Существует надежда, что введение кванта действия и калибровка существующих геометрических теорий — операции, имеющие идентичный смысл. И в рамках идеи самоорганизации совмещение этих двух процедур окажется возможным. А это указывает на необходимость обобщения принципов квантовой теории. В этом ключевая суть остро обозначившего себя поиска новых методологических подходов. Сегодня же мы констатируем трудности в применении процедуры квантования в современных геометризированных теориях. Теория суперструн генетически представляет собой программу классической заготовки. Так что здесь сразу вырисовывается главное препятствие в достижении унифицированности — трудности совмещения теории суперструн с процессом квантования. Следствием этого и является разделение всей мировой системы на две подсистемы: классическую, которую следует рассматривать как макрообстановку, которая должна быть строго детерминированной, и квантовую. То, что подобный подход является неполным, следует из анализа существования физических ситуаций, в том числе и в пределах достигнутых экспериментальных возможностей, когда разделение объекта исследования на классическую и квантовую подсистемы теряет смысл. Потому терминосистема «квантовая космология» отражает «мечту об окончательной теории».

Тем не менее, уже сейчас четко обозначена область ее исследований — речь идет о вероятностной эволюции Вселенной, входящей во множество других вселенных. И хотя это множество (Мультивселенная или Метавселенная) никак не конкретизируется, считается, что множество путей эволюции предполагает существование множества вселенных.

Существует вариант, в котором это множество рассматривается как нечто исходное, являющееся надвременной и надпространственной реальностью, — так называемое суперпространство Уилера. Подчеркнем, что суперпространство, объдиняющее множество вселенных (суперпространство Уилера), не следует путать с четырехмерным суперпространством, внутренняя симметрия которого объединяет фермионные и бозонные поля. В концепции Уилера описание физических процессов проводится с принципиальным отсутствием параметра времени, если нет представителя — наблюдателя. Другой вариант — это концепция многолистной Вселенной (концепция Уилера-Эверетта), согласно которой множество возникает в процессе недетерминированной редукции квантовых состояний при измерениях, проводимых делокализованным наблюдателем внутри Вселенной.

Другая модель, которая развивает приоритет детерминистической редукции, была предложена Хартлом и Хокингом^[316], и претендует она на описание мира в русле концепции фатализма с жестко предопределенной редукцией всех волновых пакетов на всем протяжении существования Вселенной. Редукция изначально закладывается в граничные условия уравнений Уиллера-Де-Витта. Геометрические условия представляют собой здесь максимально симметричные граничные условия, допускаемые уравнениями. Именно в эти граничные условия включен наблюдатель. Оказывается, что максимально симметричные граничные условия можно получить только в формальной теоретиче-ской модели, в которой время мнимое. Для заданных таким образом граничных условий находится волновая функция всей Вселенной, предопределяющая будущее Вселенной. Реальное время возникает только на квазиклассической стадии эволюции Вселенной, после фрагментации замкнутой пространственно-временной области из суперпространства. Но эта фрагментация происходит не случайно, а, согласно теории Хокинга, фатально. До фрагментации мы имеем сигнатуру с мнимым временем, когда и формируются граничные условия. Такова в общих чертах схема квантовой геометродинамики по Хокингу. Противоположная позиция исходит из положения, согласно которому максимально симметричное состояние не имеет решения в силу внутренней природы самих уравнений квантовой геометродинамики. Вопрос в том, что же нарушает эту симметрию, что обуславливает неизбежное существование действительного времени? И ответ на этот вопрос связывается опять-таки с представлением о существовании вакуума. Иными словами, не может идти речи о геометрии без учета вакуума, нарушающего геометрические симметрии. В основе здесь идея о том, что точные симметрии не наблюдаемы. Чтобы что-либо вычленить для наблюдения, необходимо различение. Таким образом, уже вакууму можно приписать роль наблюдателя, ибо на своих структурах он пишет историю, которую мы хотим прочитать. В обеих концепциях мы все равно приходим к необходимости существования наблюдателя во Вселенной: в первом случае — через граничные условия; во втором случае через многовариантную эволюцию вакуумных структур. Но если в геометродинамике Хокинга все Вселенные устроены по одному принципу и одинаковы, то в первой концепции речь идет о возникновении различных вакуумов и различных пространственно-временных сигнатур.