45. Единая калибровочная природа различных типов физических взаимодействий

Калибровочный принцип называют динамическим ново­введением в общей теории относительности. Нововведением является тот факт, что гравитационное поле здесь не постулируется, а выводится как результат инвариантности (сим­метрии) лагранжиана теории относительно группы локальных калибровочных преобразований. То есть требование симметрии порождает определенный конкретный вид взаимодействия, в данном случае — гравитационного. А это уже принципиаль­но новый подход в физике. Благодаря ему современная физи­ка отошла от исторической традиции, согласно которой зара­нее давалась форма взаимодействий, установленная экспери­ментально и теоретически описанная. Форма взаимодействий более не постулируется, а выводится как результат инвариант­ности относительно групп определенных локальных преобразо­ваний, как способ, которым в природе должно компенсиро­ваться локальное калибровочное преобразование. И неважно, какие виды симметрии обусловливают эти взаимодействия. В каждом случае теории, в которых работает указанный прин­цип, называют калибровочными. Иными словами, калибро­вочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия?» Ибо тип взаимодействия диктуется симметрией.

Оказывается, что все известные четыре типа взаимодей­ствий — гравитационное, электромагнитное, сильное и сла­бое — имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все взаимодействия как бы сде­ланы «из одной болванки». Это вселяет надежду, что можно будет найти «единственный ключ ко всем известным замкам» и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым су­персимметричным суперполем, из состояния, в котором разли­чия между типами взаимодействий, между всевозможными час­тицами вещества и квантами полей еще не проявлены.

46. Спонтанное нарушение симметрии вакуума

Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума вошла в физику элементарных частиц из физики твердого тела. Эта идея оказалась нитью Ариадны, которая привела из запутанных лабиринтов к созданию единой теории электро­магнитного и слабого взаимодействий. Теория слабого взаимо­действия была создана не сама по себе, а оказалась вписанной в единую электрослабую теорию. В настоящее время теория электрослабого взаимодействия подтверждена эксперименталь­но. Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуу­ма означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0. Здесь признается возможность су­ществования состояний с наименьшей энергией при отлич­ном от нуля значении некоторых физических полей, возника­ет представление о существовании вакуумных конденсатов — со­стояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных мак­роусловиях фундаментальные симметрии оказываются в со­стоянии неустойчивости. Платой за устойчивое состояние сис­темы является асимметричность вакуума.

Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа вхо­дит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии. Ибо здесь ясно просматривается диалектическое тождество этих противо­положностей, когда симметрия содержит в себе в виде возмож­ности асимметрию, а асимметрия зиждется на симметрии.

В 1967 г. С.Вайнбергом и А.Саламом была применена идея спонтанного нарушения симметрии для построения единой теории электрослабых взаимодействий с массивными W⁺, W‾ , Z°- бозонами и безмассовым фотоном у. Предполагается суще­ствование такого этапа в эволюции Вселенной, когда не существовало различий между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Однако последующее расширение Вселенной привело к нарушению симметрии электрослабого взаимодействия до симметрии, отвечающей электромагнитному взаимодействию, и симметрии, отвечающей слабому взаи­модействию. Так что в настоящую эпоху симметрия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Эксперименты в 1983 г. на уско­рителе в ЦЕРНе (Европейская организация ядерных исследований в Женеве) по обнаружению W⁺, W‾, Z°-, бозонов резуль­таты которых оказались в полном соответствии с предсказани­ями теории, дали подтверждение правильности стратегической линии использования идей калибровочной симметрии в един­стве с представлением о спонтанно нарушенной симметрии ва­куума и явились косвенным подтверждением существования ва­куумных хиггсовых конденсатов. Успех этот стимулирует физиков в направлении поисков адекватной симметрии, объединяющей сильное и электрослабое взаимодействие, (Ве­ликое объединение) и симметрии, объединяющей Великое объединение и гравитационное (Суперобъединение).

47. Концепция вакуума в структуре

современной науки. Инфляционные

сценарии развития Вселенной

в современной космологии

Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рам­ках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что рас­ширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматривается из состояния, когда вся материя была представ­лена только физическим вакуумом. Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы жи­вем. Возможно, наша Вселенная — это лишь мини-Вселен­ная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь наше­го типа. Инфляция (от латинского слова inflatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс взду­тия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной — «лож­ный вакуум». Он отличается от истинного вакуума (считает­ся, что истинный вакуум — это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный вакуум» стремлением к гравита­ционному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем — физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Счита­ется, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до Большого Взрыва. Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки -точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нару­шения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, кото­рые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций ока­зались именно такими, что в результате появилась жизнь наше­го типа.

Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения и развития физического мира позво­ляет рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает не­посредственное участие в формировании и качественных и ко­личественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения его симметрии. Это вносит коррективы в представление об историзме физичес­ких объектов. Ибо любой физический объект со своими харак­теристиками рассматривается в современной теории как момент, элемент космологической эволюции Вселенной.

48. Антропный принцип

и диалектическая концепция

взаимопревращения материи

и сознания

Попытка связать основные особенности того мира, в ко­тором мы живем, с самим фактом существования человека познающего этот мир, привела к формулированию принци­па, который вряд ли можно назвать строго физическим прин­ципом, но который, тем не менее, основывается на неоспо­римом факте существования человека в нашей Вселенной. Этот принцип был назван антропным.

Антропный принцип в физике впервые был сформулиро­ван в 1961 г. Д. Дикке, а в дальнейшем развит Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип». Антропный принцип утверждает, что мир таков, каков он есть, потому, что в противном случае некому было бы спра­шивать о том, почему мир таков. Можно сказать, что наука со времен Коперника развивалась таким образом, что на­блюдателю-человеку в ней отводилась весьма скромная роль. Человек не занимал какого-либо привилегированного цент­рального положения в науке о Вселенной. Как бы без вни­мания оставался и тот факт, что необходимой предпосылкой . нашего существования являются специально благоприятные условия (температура, химический состав окружающей сре­ды и т.д.), возникновение которых оказалось возможным бла­годаря именно тонкой подстройке значений физических ве­личин во Вселенной. Некоторые ученые обратили внимание на ограниченность такого подхода, считая, что строение фи­зического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его в самом фундаментальном смысле. Наше положение в мире, если и не является центральным, то неизбежно является привилегированным. И можно заранее до наблюдений предсказать ряд астрофизических и других факторов по той причине, что-то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей. Основанием для таких предсказаний и служит антропный принцип, как принцип, отражающий невероят­но тонкую подстройку Вселенной.

Антропный принцип концентрирует внимание на следу­ющем обстоятельстве: свойства окружающего нас мира яви­лись результатом определенной согласованности соответству­ющих фундаментальных констант, интервал возможных зна­чений которых, обеспечивающий нам мир, пригодный для жизни, очень мал.

Корни его имеют начало в самих ранних этапах истории человеческой культуры. Однако «переоткрытие» антропного принципа современной космологией имеет важное значение в становлении нового постнеклассического типа научной ра­циональности. Существуют различные версии антропного принципа: слабый антропный принцип, сильный, финалистский антропный принцип, антропный принцип, включаю­щий соучастника-наблюдателя. Появляются и теологические нотки при обсуждении антропного принципа. Все это повли­яло на то, что многие физики-ученые с настороженностью относятся к этому принципу, рассматривая его как ненауч­ный. Однако положение резко меняется, если антропный принцип рассматривать в контексте синергетического само­организующегося процесса эволюции Вселенной. Здесь на первый план выдвигается идея о корреляции свойств наблю­дателя и свойств мира. То есть речь идет о вероятности того, что мир имеет наблюдаемые нами свойства. А это значит, что можно сравнивать вероятности оказаться в разных мирах с разными свойствами. Следовательно, антропный принцип по­лучает нетеологическое объяснение при условии существова­ния множества миров. Надо сказать, что инфляционные сце­нарии раздувания Вселенной содержат в себе результаты, пред­сказывающие разбиение Вселенной на неограниченно большое число мини-Вселенных — огромных областей, внутри которых реализуется свои типы физических вакуумов, размернос­тей пространства-времени, цепочек спонтанного нарушения симметрии. Так что вероятность возникновения из этого ог­ромного числа разных мини-Вселенных, которые подобны нашей, в которых возможна жизнь, подобная нашей, суще­ствует.

Современная физика с использованием антропного прин­ципа как бы расширяет границы своего традиционного рас­смотрения вопросов. Человек, рассматриваемый ранее лишь в качестве непосредственного потомка прогрессивной эво­люции жизни в биосферных условиях, предстает уже в ка­честве непосредственного продукта космологической эволю­ции Вселенной. И, как считают многие физики, трудности в построении единой теории поля могут быть связаны как раз с тем фактом, что такое свойство материи, присущее ей на всех уровнях организации, как отражение, и высшая форма его развития — сознание, остаются вне рамок исследования. Не окажется ли, что поставленная современной физикой за­дача принципиально неразрешима вне исследования тех фак­торов, которые привносит с собой в ход мирового процесса мыслящий дух? Иными словами, антропный принцип с методологической точки зрения является предвестником более глубокого диалектического понимания взаимопревращения ма­терии и сознания.