Современная космология: философские горизонты

Г.М. Верешков, Л.А. Минасян

Вакуум в переводе с латинского означает «пустота». Впервые «пустота» как научный термин, используемый для построения картины мироздания, появляется у Левкиппа и Демокрита. «Пустота» входит в их учение наряду с атомами в качестве первопричины всего сущего. Вычленение понятия «пустота» в качестве основного термина демокритовской физики служит, прежде всего, попытке решения проблем, выдвинутых элейской школой философов. Известно, что большинство древнегреческих мыслителей в своих учениях пустоту отрицали. В их ряду пифагорейцы, Эмпедокл, Анаксагор, Платон, Аристотель, их последователи и ученики. Между тем, следует признать существенную роль этого понятия при формировании концептуальных основ физической науки. Так, признание Галилеем существования пустоты позволило объяснить равные скорости падения различных тел при мысленном устранении сопротивления среды, то есть при рассмотрении движения тел именно в пустоте. Представление о пустоте явилось также физической предпосылкой теории инерционного движения. Вопрос о существовании пустоты в природе стал при формировании физики как науки не просто предметом предпочтений или вкуса отдельных выдающихся мыслителей, а явился одним из тех положений, на основании которых и воздвигалось здание ньютоновской механики.

История развития понятия «вакуум» такова, что его содержательное, смысловое наполнение постоянно шло в противостоянии с представлениями об эфире. С самого своего возникновения эти понятия соответствовали различным концепциям мира. Характерно, что представление об эфире, начиная с учения пифагорейцев (Филолай) и по сей день, никогда не устранялось из физической науки. И даже во времена господства ньютоновской физики, отстоявшей в полемике с картезианской школой Декарта идею пустого абсолютного пространства и дальнодействия, развивается представление о поле как континуалистской среде, которую и Фарадей, и Максвелл рассматривали как колебания эфира. Абсолютное пространство и абсолютное время предстает в механике Ньютона как нечто, отличное от материи и, бесспорно, противоположное эфиру. Однако впоследствии этим понятиям предстояло возродиться в теориях, исходивших как раз из представлений о неподвижном эфире (имеется в виду лоренцева привилегированная система отсчета). Так что наука удерживала оба понятия — и понятие пустого пространства, и понятие эфира, вплоть до возникновения физики XX века, — возникновения специальной и общей теории относительности. Развитие этих теорий, а также квантовой теории поля привели к отрицанию эфира и наполнили новым содержанием понятие вакуума. Сегодня мы можем констатировать острейшую концептуальную коллизию: вакуум в современной физической теории более соответствует семантическому содержанию термина «эфир», ибо представляет собой не Ничто, не пустоту, а весьма загадочное, сложное, энергетически насыщенное Нечто. Об этом и пойдет речь в настоящей статье. Но прежде нам хочется привести хорошо известное в среде физиков высказывание, сделанное академиком И .Я. Померанчуком. На вопрос о том, что есть вакуум, он отвечал так: «Физика вакуума состоит из двух разделов: раздел 1 — “Насосы и компрессоры”, раздел 2 — “Квантовая теория поля”». Действительно, нельзя не сказать о том, что прошлый век охарактеризован не только невиданным взлетом теоретической мысли, но и бурным развитием прикладной науки и техники. И понятие вакуума как состояния разреженного газа при давлениях ниже атмосферного занимает свое прочное место в технике. В принципе, особых уточнений или расширений смысла технического вакуума в истории науки не произошло. По-иному обстоит дело в представлении о вакууме в квантовой теории физических полей.

Вплоть до тридцатых годов прошлого столетия во всех физических справочниках можно было прочитать, что физика изучает материю в двух проявлениях — веществе и поле. Поле понималось при этом как пустая континуалистская среда. Важный вклад П. Дирака в развитие квантовой теории состоит в том, что он разработал последовательные правила квантования электромагнитного и электрон-позитронного полей. В квантовой электродинамике впервые были сформулированы представления о виртуальных частицах, о сложности вакуума квантовой теории поля. Вакуум стал рассматриваться как наинизшее энергетическое состояние квантованных полей, а его возбуждения стали интерпретироваться как кванты полей. Подразумевалось, что наинизшему энергетическому состоянию соответствует состояние, в котором реальных частиц нет. (Реальными частицами считаются объекты, способные к перемещению на макроскопические расстояния). Так что вакуум в общепринятом смысле понимался хотя и как «Нечто», но все-таки и как «Ничто». В целом же он представляет собой активную среду, в которой постоянно происходят процессы рождения и аннигиляции всевозможных виртуальных частиц. Еще один важный результат теории Дирака состоит в предсказании античастиц. Таким образом, с тридцатых годов XX века на место континуалистского поля приходит представление о поле квантованном. Кроме того, понятие поля стало использоваться не только для описания процессов физических взаимодействий, но и для описания частиц вещества. Поля первого типа получили название «бозонные поля», а поля второго типа — «фермионные поля». В названиях полей отражен тот факт, что различные частицы — кванты различных полей — подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, кванты фермионных полей являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми-Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение спина. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева. В чем-то аналогичные закономерности проявляются в структуре атомных ядер (связанных состояний протонов и нейтронов) и в структуре адронов (связанных состояний кварков). Все кванты бозонных полей являются бозе-частицами (бозонами) — частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них не имеет места: в одном и том же состоянии может находиться любое число квантов бозонных полей.

Современная квантовая физика приводит к уточнению понятия вакуума. Дело в том, что кванты фермионных и бозонных полей, свойством которых является их способность распространяться на макроскопические расстояния, трактуются как возбуждения вакуума. Под вакуумом же принято понимать такое состояние среды, в которых такие возбуждения отсутствуют. Можно дать следующее определение вакуума: «Вакуум — это среда, имеющая собственные импульсно-энергетические характеристики, способная изменять свое состояние как локально (что может быть зафиксировано, например, с помощью экспериментов на коллайдере), так и глобально, что определяет особенности релятивистских фазовых переходов на ранних этапах эволюции Вселенной (космологический аспект)».

Предполагается, что мир может быть рассмотрен как взаимодействие и взаимопревращение двух подсистем, одна из которых представляет собой собственно вакуум, а другая — возбуждения этого вакуума. Такой подход позволяет провести разделение единой целостности на микромир и макрообстановку, что составляет существо идеологии квантовой физики. Важно понимать, что такое разделение на макро- и микромир является приближенным. И это является следствием глубокой взаимосвязи, взаимопревращаемости, по существу, неразделяемости подсистем. Но пока такое разделение в теории работает, нам удается познавать мир методом локально воспроизводимых экспериментов. В этом случае мир как целостная система изучается через свойства подсистем возбуждений, способных к локализации. При этом возникает возможность говорить и о свойствах вакуума, которая обеспечивается коррелированностью обеих подсистем — согласно общим принципам имеющихся теорий.

Уже в вышеприведенных рассуждениях заложен методологический подход, позволяющий ставить вопрос о рассмотрении понятия вакуума нашей Вселенной в качестве исходной абстракции современной космологической теории.

Наука о возникновении и эволюции Вселенной называется космологией. И хотя вопрос о мироустройстве и миропорядке, что означает само слово космос, был поставлен на заре человеческой культуры, только в XX веке космология завоевывает статус науки благодаря созданию общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. На базе ОТО создана стандартная космологическая модель, которая составляет твердое ядро этой научно-исследовательской программы. Сразу же с возникновением ОТО был поставлен вопрос об особенностях ранних этапов эволюции Вселенной. С середины двадцатых годов XX века господствующей в космологии становится фридмановская модель расширяющейся Вселенной, а с открытием в 1965 году реликтового излучения получает надежное обоснование теория Большого взрыва. Несмотря на существование определенных космологических проблем в теории, ситуация кажется весьма благоприятной. Однако дерзновенность физиков перешагивает все возможные горизонты, появляются попытки заглянуть в еще более отдаленное прошлое Вселенной, предшествующее Большому взрыву. Особую роль в становлении новых подходов, в которых реализацию получают идеи о вакуумном происхождении нашей Вселенной с ее последующим экспоненциальным расширением, сыграли квази-де-ситтеровская модель A.A. Старобинского[308], работы Я. Б. Зельдовича и Л.П. Грищука ², где обсуждалась возможность возникновения Вселенной как целого из вакуумного «пузыря», а также многие другие. Начиная с ра-боты Я.Б. Зельдовича и Л.П. Питаевского¹, было понято, что вакуум в искривленном пространстве-времени (в сильном гравитационном поле) по своим свойствам существенно отличается от вакуума в плоском пространстве-времени Минковского. В вакууме, деформированном сильным гравитационным полем, может нарушаться так называемое условие энергодоминантности, в результате чего во Вселенной в целом могут возникать эффекты глобальной антигравитации, приводящие к ускорению ее расширения. Деформации слоистых структур пространства, обычно описываемые неравновесными скалярными полями (А. Гус, А.Д. Линде), также могут приводить к быстрому расширению Вселенной. Эти идеи, реализованные в так называемых инфляционных сценариях эволюции ранней Вселенной, интенсивно развивались последние тридцать лет. В рамках инфляционных моделей сделана попытка решения проблем сингулярности, космологической постоянной, а также вновь обозначивших себя проблем, являющихся следствиями моделей объединения.

Здесь следует сказать, что существенные сдвиги в представлениях о вакууме произошли к середине прошлого века и в физике элементарных частиц. Начиная с 1954 года, новую жизнь в теории получает калибровочный принцип для описания различных типов полей. Калибровочный принцип явился «динамическим нововведением» в общую теорию относительности[309]. В 1954 году Янг и Миллс применяют понятие калибровочного поля к ядерным силам. Это привело к переосмыслению существования калибровочной инвариантности в электродинамике, которая хорошо была известна к этому времени, но рассматривалась многими физиками как любопытный курьез. К началу 70-х годов было установлено, что все известные типы физических взаимодействий имеют калибровочную природу, то есть возникают как способы для поддержания определенных видов симметрии нашего мира. Таким образом, реализацию получает известный эйнштейновский девиз: «Взаимодействия диктуются симметрией». Локальная калибровочная инвариантность требует введения дополнительного поля, то есть введения квантов этого поля. В физике главенствующие позиции занимает методология, согласно которой физические взаимодействия являются вторичными, производными, возникают на определенном этапе эволюции Вселенной как способы, компенсирующие локальные калибровочные преобразования в природе, обеспечивая инвариантность физических законов. Каждый тип взаимодействий удалось описать в рамках обозначившего себя в теории единого подхода на основании конкретной группы симметрии. А это открывало пути для поиска унифицированной теории, в которой была бы найдена та формула нашего мира, тот вид симметрии, который определял бы вид физических законов, адекватных исходному состоянию нашего мира. Согласно современной научной парадигме, в исходном состоянии Вселенной еще не проявлено физическое многообразие мира, но предполагается существование всех реализующихся в будущем ходе ее развития различий в виде потенциальных возможностей. Превращение их в действительные грани мира представляет собой цепочку акциденциальных моментов благодаря нарушению не этой самой симметрии мира (она остается ненарушенной), а нарушению симметрии вакуума, который, в духе концепции физической целостности, развитой в квантовой физике, в качестве макрообстановки, о чем было сказано выше, ложится в основание, по отношению к которому эти различия и проявляются вплоть до наших дней. Таким образом, в теорию изначально закладываются нетривиальные варианты нарушения исходной симметрии.

Иными словами, в квантово-полевой исследовательской программе набирает обороты идея построения единой теории поля, реализующая мечту Эйнштейна, и которая десятки лет считалась невыполнимой, а потому, мягко говоря, являлась «отложенной» до лучших времен. Но эти времена настали и очень быстро дали свои всходы: была разработана теория электрослабой) объединения, получившая блистательное экспериментальное подтверждение, предложены различные модели Великого объединения (единая теория сильного и электрослабого взаимодействий), обозначилась разработка теории суперструн и на этой основе модели суперсимметрии. Успехи в физике элементарных частиц привели к эпистемологическому повороту в космологии, и к восьмидесятым годам прошлого века стало понятно, что развитие космологии должно включать в себя концепции, разрабатываемые в квантовой теории поля. Таким образом, можно сказать, что на современном этапе произошло полное «смыкание» космологии и физики элементарных частиц, когда проблемы этих, когда-то разных физических дисциплин, полностью перекрываются и оказываются в одной плоскости исследований.

В 1998 году были получены экстравагантные результаты, в корне переменившие наши представления о структуре материи. Было установлено, что обычное вещество составляет только 4 % энергии Вселенной, 20 % — неиндентифицированная «темная материя» и 76 % — «темная энергия», которая сопоставляется с энергодоминантно-нарушенным вакуумом, способным к гравитационному отталкиванию. Мы считаем экспериментально надежно установленным, что на современном этапе эволюции «темная энергия» обеспечивает расширение Вселенной с ускорением, что вносит существенные коррективы в поиск адекватных космологических сценариев. В случае, если носителем «темной энергии» действительно является космологический вакуум, мы получим дополнительные аргументы в пользу правильности выбранной стратегии в рассмотрении космологического вакуума как объекта, в котором изначально была сконцентрирована вся энергия нашей Вселенной. За время эволюции Вселенной часть энергии вакуума была израсходована, отдана на рождение других структурных единиц материи — на обычное вещество и «темную материю». Но уже сейчас, отталкиваясь от результатов, полученных на теоретической и экспериментальной стадиях современных исследований, можно ставить вопрос о рассмотрении вакуума в качестве «прародителя» обитаемого нами мира и в качестве исходной абстракции в физической теории.

Подчеркнем, что все современные космологические модели в своей основе используют представление о Вселенной как о самоорганизующейся целостности, что означает явное или неявное использование философского принципа восхождения от абстрактного к конкретному. Восхождение от абстрактного к конкретному есть метод воспроизведения в мышлении конкретного (в нашем случае Вселенной как целостности) путем синтеза абстрактных определений конкретного. Важно, что это восхождение рассматривается как диалектическое развитие, как генетическое выведение конкретного из абстрактного.

Использование калибровочного принципа в физике, по существу, представляет собой программу геометризации физики. Макроскопическая среда под названием вакуум рассматривается в рамках этой программы как конкретное состояние геометрии пространства-времени. Следует сразу оговориться, что в существующих теориях, проверяемых экспериментально, программа геометризации полностью не реализована. В рамках программы геометризации физики все физические поля рассматриваются как характери-стики геометрии пространства-времени: гравитационное поле интерпретировано как искривление пространства-времени; остальные известные физические поля, сильное, слабое и электромагнитное, представляют собой расслоения пространства-времени. Между тем, фермионные поля, кванты которых сопоставлены кваркам и лептонам, рассматриваются здесь как объекты, внешние к пространству-времени. Таким образом, на современном этапе полной геометризации достигнуть не удалось, имеет место неполная геометрия описания, но стрела дальнейших исследований в области фундаментальной физики и космологии направлена именно в сторону полной реализации данной программы. Здесь можно говорить о двух этапах научного поиска. На первом этапе ставится задача построения теории суперсимметрии, позволяющей объединить все известные физические взаимодействия в единое суперполе, то есть выявить то «Единое Бытие», ту группу суперсимметрии, которая по сей день составляет ненарушаемое основание нашего мира. Второй этап нацелен на поиск объединения геометрии и материи суперполя в единое геометризированное суперполе, возможно, соответствующее более сложной структуре расслоенного суперпространства. Оказалось, что согласование этой идеи с уже имеющимися экспериментальными данными по спектру наблюдаемых частиц требует перехода к геометрии многомерного пространства-времени. Ситуация представляется еще более экстравагантной по той причине, что геометрия этого многомерного пространства-времени предположительно должна описывать не конечным набором полей, а бесконечным, но с определенной иерархией, определяемой теорией суперструн. По поводу перспективности суперструнной программы идут серьезные дискуссии, от обсуждения внутри-математических проблем теории до выдвижения альтернативных концепций (например, концепции преонов или некоммуникативной геометрии), а также дискуссии по поводу самой возможности получения прямых или хотя бы косвенных экспериментальных аргументов в пользу супер-струнной программы.

На том уровне познания, который допускает современный эксперимент, мы можем говорить об искривленном пространстве, в котором имеются три типа расслоенных структур (электромагнитное, сильное, слабое) плюс поля вещества, которые еще полностью не геометризированы, о чем было сказано выше. Эти представления могут быть расширены, и в этом немалую роль могут сыграть эксперименты, запланированные на Большом адронном коллайдере (LHC). Одной из приоритетных экспериментальных задач на LHC является поиск проявлений суперсимметрии между бозонами и фермионами на масштабе энергий 1 ТэВ. Если суперсимметрия будет обнаружена, то экспериментальное подтверждение получит концепция суперрасслоенного суперпространства. Но пока эффект суперрасслоения никак не проявлялся, поэтому оставим эту проблему без комментариев. Обратимся к смыслу понятия «расслоение».

Именно использование калибровочного принципа позволяет придать всем рассматриваемым видам симметрий геометрическую интерпретацию, ибо калибровочные симметрии могут быть интерпретированы как связности в расслоенных пространствах — структурах, хорошо известных в дифференциальной геометрии. В классической физике физическое пространство трактуется как многообразие точек, переходящее само в себя при преобразованиях (простейшие случаи — вращение и трансляция, в релятивистской физике — преобразования Лоренца). При рассмотрении теории расслоенного пространства предполагается, что каждая точка сама по себе является многообразием, переходящим само в себя при преобразованиях внутренних симметрий. Это имеет надежное экспериментальное подтверждение для проявлений и электромагнитного, и сильного, и слабого взаимодействий. Понятно, что возникает вопрос о природе этих свойств. И здесь прослеживаются два возможных варианта интерпретации.

Первый вариант: точка, которую мы воспринимаем как элемент четырехмерного пространства-времени, в действительности принадлежит многомерному пространству. Тогда внутренние свойства этой точки порождаются свойствами многомерного пространства. В теории предложены два альтернативных подхода для описания «внешней скрываемости» многомерия, — теория Калуци-Клейна и (или) бранная топология. Согласно теории Калуци-Клейна, дополнительные пространственные измерения сжаты, компактифицированы до размеров 10^-33см. Отметим, что ограничение, даваемое экспериментом, составляет значение до 10^-18см. Бранный подход связан с теоретически предсказанной возможностью того, что пространство компактифицированным не является, а масштабы движения в дополнительных измерениях макроскопические, сопоставимые с размерами Вселенной. Однако выход в эти измерения затруднен свойствами четырехмерной гиперповерхности, отождествляемой с нашей Вселенной. В рамках этой второй модели предполагается существование некоторых специфических сил сцепления, действующих на объект, находящийся на динамической поверхности, которые и препятствуют отрыву тела. Это и обеспечивает нам существование именно в трехмерном пространстве и одномерном времени, так как дополнительные измерения оказываются для нас пока энергетически недоступными. Существуют программы претенциозных экспериментов, которые позволят различить эти две концепции, но, к сожалению, они количественно не прогнозируемы. Так, на коллайдере LHC будет получен предел энергий, при переходе через который может стать возможным выход в дополнительные измерения. Если энергии окажется достаточно, то возникнут специфические эффекты, состоящие в том, что частицы как бы покидают наше пространство-время, а потом возвращаются в него. Данная программа теоретически разработана академиком В.А. Рубаковым[310]. Однако даже при положительном исходе эксперимента мы получим только макроэффект, сами перемычки, микроэффекты останутся, так сказать, за кадром. Тем не менее, положительный результат давал бы основание для дальнейшей разработки второго из упомянутых нами подходов. Полная реализация обоих подходов этого варианта приводит к физике суперструн. И здесь являет себя прогрессивный сдвиг проблем в части классификации объектов теории: намечаются пути слежения от суперструн до явленных объектов реального мира.

Второй вариант активно разрабатывается французским ученым Аленом Коннесом[311] и содержит в себе представление об элементе многообразия (который в современной теории считается точкой пространства) как о множестве (а не точке), объединяющем дискретные микроструктуры. На малых масштабах понятие точки становится приближением неудовлетворительным, движение объекта становится более сложным, чем простое перемещение, и должно описываться дискретной матрицей степеней свободы. Тогда расслоения отражают определенные свойства дискретной структуры. Математический аппарат для описания этой идеи разрабатывается в рамках дискретной некоммутативной геометрии. Когда мы используем понятие геометрии, то имеем в виду непрерывный континуум, обладающий внутренними динамическими свойствами, вытекающими из свойств симметрии этого континуума. При этом преобразования симметрии также являются непрерывными. Возникает вопрос, является ли концепция непрерывности континуума первичной? Или же пространственно-временной континуум возникает как способ описания некоторых отношений между объектами, имеющими матричную дискретную структуру[312]?

Сам факт возникновения слоев или конкретных способов компактификции N-пространственных измерений в современной теории определяется динамикой эволюции физического вакуума, цепочкой спонтанных нарушений его симметрии. Потому вакуум представляет собой состояние геометрии, в котором отсутствуют его возбуждения, отсутствуют возбуждения как самой геометрии, так и внешних по отношению к геометрии возбуждений вакуума, интерпретированных выше как микроподсистема, которая в существующей теории еще полностью не геометризирована, о чем сказано выше.

Сложность (и непроясненность) проблемы соотношения вакуума и геометрии удивительно напоминает сложность диалектики формы и содержания в гегелевской философии. Можно утверждать, что геометризация физики означает поиски внутренней формы организации конкретного содержания. Если ньютоновские представления о пространстве и времени есть только кажимость (это еще не форма), на что обращали внимание такие мыслители прошлого, как Беркли, Кант, Гегель, Мах, а четырехмерный мир Эйнштейна-Минковского — внешняя форма существования мира, то придание всем структурным единицам материи геометрической интерпретации есть восхождение к внутренней форме, в этом контексте напомним слова Гегеля: «то, что являет себя как деятельность формы, есть далее, в той же мере собственное движение самой материи… и то, и другое, действие формы и движение материи есть одно и то же… Материя, как таковая, определена или необходимо имеет некоторую форму, а форма — это просто материальная, удерживающая форма». Иными словами, геометризация физики может считаться выявлением внутренней формы как способа организации содержания — вакуума нашей Вселенной. Однако тождество содержит в себе различие. Роль формы в развитии содержания выражается в том, что она организует и выражает содержание, удерживает непрерывные изменения содержания в определенных границах, придает ему определенную устойчивость. При этом именно содержание играет ведущую роль, изменения содержания всегда предшествуют изменениям формы. Форма может быть рассмотрена как структура, обеспечивающая функционирование данного содержания и определяющая границы его возможных изменений. Различие между содержанием и формой указывает на противоречивость их внутреннего единства, что составляет основу развития явления.

Важнейшими элементами Стандартной Модели физики элементарных частиц, проверенной экспериментально, являются две вакуумные подсистемы: 1) электромагнитная и слабая, объединенные в единую электрослабую подсистему в рамках теории Вайнберга-Салама, и 2) подсистема, связанная с квантовой хромодинамикой, являющейся теорией сильных взаимодействий. Природа этих вакуумных подсистем различна. В соответствии с экспериментальными данными предполагается, что слоистая симметрия, соответствующая электрослабым взаимодействиям, спонтанно нарушена, то есть эта структура определенным образом деформирована в однородном пространстве-времени. Этот эффект однородной деформации описывается с использованием представлений о существовании хиггсовского вакуумного конденсата (H-бозонов), разлитого по всей Вселенной. Формально математически хиггсовский конденсат рассматривается как состояние скалярного поля (бозонного поля с нулевыми значениями спинов бозонов), взаимодействующего со слоистой структурой, соответствующей электрослабому взаимодействию. В свете вышеприведенных рассуждений возникает вопрос о вписывании этого скалярного поля в геометризированную теорию. Понятно, что надежды на такое решение весьма обнадеживающие, но пока скалярное поле выступает в качестве некоторого дополнительного и самостоятельного элемента теории, вводимого в нее для описания деформации слоистой структуры электрослабого поля.

Вторая подсистема, соответствующая хромодинамическому вакууму, имеет существенно иную природу и связана с квантово-топологическими явлениями в микромасштабах пространства-времени. Речь в данном случае идет о топологии расслоений. Оказалось, что одному и тому же энергетическому состоянию слоистой структуры могут соответствовать ее различные конфигурации, которые не сводятся друг к другу непрерывными преобразованиями. С точки зрения классической физики каждая конфигурация должна соответствовать отдельной Вселенной. Учет законов квантовой физики позволяет говорить о возможности существования отдельных спонтанных туннельных переходов между различными конфигурациями. Эти спонтанные туннельные переходы условно объединяют различные вакуумы (которые в классической физике соответствовали бы разным вселенным) в единый хромодинамический вакуум нашей Вселенной со сложной топологической микроструктурой. Как стало понятно, эти туннельные переходы сопровождаются в реальном пространстве-времени квантовыми флуктуациями слоистой структуры — глюонного поля, которые, в свою очередь, индуцируют флуктуации кварковых полей (внешних объектов по отношению к слоистой геометрии). Каждая из этих флуктуаций локализована в пространстве-времени и называется кварк-глюонным вакуумным конденсатом.

С изучением этих вакуумных подсистем удалось понять ряд свойств наблюдаемого мира, которые ранее остались непонятными. Например, взаимодействие волнового поля с хиггсовским конденсатом, как предполагается, генерирует массы различных частиц (так называемый механизм Хиггса). Кварк-глюонный конденсат позволил понять природу масс адронов. Адрон рассматривается как область перестроенного кварк-глюонного вакуума, стабилизированного валентными кварками. Эта область обладает плотностью энергии вакуума большей, чем плотность энергии неадронного вакуума. Значительная часть масс адронов, приблизительно половина всей массы, обеспечивается энергией перестроенного кварк-глюонного вакуума.

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.

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.

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.

Существует и версия, согласно которой Вселенная изначально содержит элемент, который можно назвать делокализованным наблюдателем, с самого начала изучающим самого себя. Выше уже говорилось о концептуальной идентичности данного подхода с феноменологией духа Гегеля. Следует признать, что построение такой системы имеет прагматическое содержание, ибо позволяет обойти поставленный в начале данного параграфа вопрос, а именно, может ли менее сложный объект выступать субъектом познания более сложных структур? Пока мы сложнее познаваемых нами структур, мы можем смело выступать в качестве субъектов познания, имея в качестве объекта исследований, в том числе, и самих себя. Как должен быть организован процесс познания, когда на повестку дня встают проблемы, обозначающие себя в квантовой космологии? Здесь метод познания, опирающийся на существование локально воспроизводимых элементов мира, не работает. Встает вопрос о познании Вселенной в целом, что для локализованного наблюдателя невозможно. В этой области энергий теряют свой смысл термины макромир, микромир, пространство, время. Теоретическое деление мира на две подсистемы становится в данном круге задач невозможным: само понятие вакуума в квантовой космологии становится едва ли не бессмысленным. Категория вакуума, понимаемая как исходная абстракция, имеет отношение к физике нашего мира, венцом эволюции которого становится человек.

Антропный принцип, поставивший на повестку дня модальность долженствования и целеполагания в самоорганизации Вселенной, результатом эволюции которой должно было стать появление Человека, вырисовывает направления, ведущие современную физику к тем проблемам, которые впервые были обозначены философией Канта. Достаточно хотя бы более пристально вглядеться в первую антиномию чистого разума, чтобы ясно увидеть в ней те же проблемы, которые сегодня решаются уже на языке физики.

По мнению Канта, и тезис, и антитезис первой антиномии являются ложными. Несмотря на то, что и тезис, и антитезис доказывается им вполне строго апологическим методом (то есть методом от противного). Ошибки в умозаключениях Кант видит в том, что «разум ведет свой регресс, не рассматривая при этом, принадлежит ли обусловленное к миру вещей или к миру явлений». Можно поставить вопрос о справедливости притязаний и тезиса, и антитезиса на истину. Тезис первой антиномии оказывается верным, если рассматривать обусловленное и его условия как явления, где синтез, будучи эмпирическим, необходимо дан в пространстве и во времени, последователен и «имеет место только в регрессе и никогда не существует без него. Но зато мы можем сказать в таком случае, что регресс к условиям, т. е. непрерывный эмпирический синтез на этой стороне, предложен или задан нам и что не может быть недостатка в условиях, даваемых этим регрессом»[317]. Но именно так обстоит дело в теоретической космологии наших дней. Мир имеет начало во времени, если речь идет о нашей Вселенной, ибо начало во времени — это есть момент ее отпочковывания в виде вакуумного пузыря. В этом ряду рассмотрения вакуум представляет собой безусловное, исходную абстракцию (по терминологии Гегеля) теории нашего мира, венцом эволюции которого является Человек. И этот мир, весь этот ряд явлений, не есть вещь, которая может рассматриваться в качестве действительной независимо от человека. Другое дело вся самовосстанавливающаяся Вселенная, в которой наш мир выступает всего лишь одной из бесчисленного множества вселенных. Здесь уже синтез обусловленного с условием и весь ряд условий должен мыслиться сразу, без всякого ограничения во времени и потому не заключает в себе понятия последовательности. В данном случае это обусловленное, и его условия есть «вещь в себе», в этом ряду наша Вселенная выступает как обусловленное, но при этом «регресс к условиям не только задан, но и в действительности уже дан вместе с обусловленным»[318].

Таким образом, если тезис вполне соответствует нашему человекомерному миру, в котором понятие времени приобретает смысл, то антитезис, согласно которому мир не имеет начала, а существует вечно и бесконечен, ибо понятия пространства и времени вне человекомерности действительно теряют свое операциональное значение, относится ко Вселенной в целом.

Какова роль этой целостности в возникновении впоследствии нашего мира? Сможет ли человек, являющийся продуктом космологической эволюции конкретной Метагалактики с конкретным видом физического вакуума и специфичной для него пространственно-временной сигнатурой, когда-либо получить ответ на этот вопрос? Или мы должны принять позицию Канта о различении мира явлений и мира «вещей в себе». Известно, что в спекулятивной философии Гегеля человеческому мышлению приписана способность достичь в своем развитии уровня одного порядка с Мировым разумом. Сама организация духа, по Гегелю, обуславливает собой миропознание, ибо организация духа есть также и организация реального мира. Дух порождает из самого себя Вселенную, познающего ее субъекта, и в силу этого приходит к самому себе. Самодвижение Абсолютного духа через самораздвоение на пути возвращения в самое себя имеет главную цель — познание своей сущности. И это самопознание духа осуществляется посредством мыслительной мощи Человека. Подобный подход не лишен привлекательности вследствие своего оптимистического гностицизма. Но вряд ли этот оптимизм сегодня имеет весомый естественнонаучный фундамент. Однако следует признать, что вечные философские вопросы в связи с новейшими достижениями в космологии и физике элементарных частиц обозначают себя все острее. Проблемы физического вакуума вновь вызывают к жизни «тени» великого философского прошлого, настойчиво осовременивают их и расчищают для них достойное место в естественнонаучной проблематике.