Современная космология: философские горизонты - Коллектив авторов

Итак, суперструнная теория претендует на роль теоретического основания ранней космологии. (Еще одно ее приложение в современной космологии — это физика черных дыр). Стандартная модель физики элементарных частиц, так же как и ее теоретическая база — квантовая теория поля (КТП), справедливы только для пост-планковской эры; мир планковских масштабов величин (эпоха до 10-43 сек. после Большого взрыва) они описать и объяснить не в состоянии. Дело в том, что два фундаментальных столпа, на которых базируется все здание современной физики — квантовая механика (КМ) и общая теория относительности (ОТО), мирно сосуществовующие и прекрасно работающие в режиме пост-планковских масштабов, в области планковских масштабов величин оказываются несовместимыми, поскольку в этом режиме они противоречат друг другу. Для разрешения конфликта необходимо построить квантовую теорию гравитации, которая разрешила бы этот конфликт и смогла бы выступить теоретической основой для реконструкции закономерностей планковского мира. На эту роль и предназначается теория суперструн (наряду с рядом других подходов — петлевым, теорией твисторов и т. д.)

Теория струн, с точки зрения ее авторов и приверженцев, обладает существенными методологическими преимуществами по сравнению со стандартной моделью физики элементарных частиц[84]. Она описывает и объясняет не только все то, что описывает и объясняет стандартная модель — три типа частиц и три негравитационных взаимодействия; она объясняет больше. Как считают ее приверженцы, она разрешает фундаментальное противоречие между КМ и ОТО, что не может сделать стандартная модель; теоретически обосновывает существование гравитации, что было невозможно ни в ньютоновской, ни в эйнштейновской теориях гравитации; дает объяснение и обоснование многим из тех явлений, которые в стандартной модели не могут быть объяснены: здесь они просто берутся из эксперимента.

Так, исходя из единого принципа, согласно которому все наблюдаемые свойства элементарных частиц — проявление различных типов колебаний струн, теория струн объясняет тот факт, что существуют именно три, а не больше и не меньше, семейства подлинно элементарных (далее неразложимых) частиц; в ней дается объяснение, почему эти частицы обладают именно теми параметрами, которыми они обладают и т. д. В отличие от стандартной модели с 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия теории с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет. Важное преимущество, которое выгодно отличает эту теорию от стандартной модели, состоит также в том, что она свободна от ультрафиолетовых расходимостей.

Правда, все эти достижения покупаются достаточно высокой ценой. Приходится вводить большое количество новых физических понятий, таких как суперсимметрия, дополнительные размерности пространства (в последнем варианте теории их 10, в то время как обычное пространство-время имеет только 4 измерения), бесконечное число полей с произвольными массами и спинами и т. д. До сих пор ни одна из этих сущностей не была обнаружена в эксперименте. Все это говорит о том, что теория суперструн представляет собой интересную гипотезу, но отнюдь не хорошо обоснованную теорию.

Существующие уровни энергии, которыми оперируют в физике элементарных частиц, недостаточны для того, чтобы получить данные для проверки любого из выдвинутых подходов к квантовой теории гравитации, в том числе и теории струн. В сентябре 2008 г. в ЦЕРН’е запущен новый кольцевой ускоритель — Большой адронный коллайдер (БАК). Есть надежды, что полученная на нем энергия частиц — она будет находиться в тетрадиапазоне (диапазон энергий, когда сталкиваются две частицы с суммарной энергией 1 тетраэлектронвольт — 1012 эв.), будет достаточна для того, чтобы подтвердить или опровергнуть многие из предположений, выдвинутых в физике элементарных частиц.

Однако многие специалисты считают, что полученной энергии не «хватит» для экспериментальной проверки теории суперструн: она слишком далека от требуемой. Нужны планковские уровни энергии (1028 эв). В связи с этим физики ищут косвенные подтверждения. Например, через подтверждение суперсимметрии — существование которой следует из теории суперструн. Если бы удалось обнаружить частицы-суперпартнеры, которые предполагаются концепцией суперсимметрии, это было бы важным доказательством того, что теория суперструн находится на верном пути. Большие надежды в этом плане возлагают также на те данные, которые получают в современной космологии, изучающей процессы и условия, существовавшие в момент Большого взрыва. Процессы, происходившие в то время, являются природной лабораторией, в которой можно получать подтверждения (или опровержения) теории струн. «Не обладая ускорителями, способными разгонять частицы до энергий порядка планковской, мы будем вынуждены постоянно опираться на данные экспериментов «космологического ускорителя» Большого взрыва — на то, что разбросано этим взрывом по всей Вселенной», — пишет уже цитировавшийся специалист в области теории суперструн Брайан Грин.

Таким образом, пока авторы и приверженцы теории суперструн рассчитывают только на косвенные подтверждения. У этой теории нет прямого экспериментального гида, как это было при создании и КМ, и стандартной модели физики элементарных частиц. (У квантовой механики, например, в качестве такого гида выступали данные спектрального анализа, с объяснением которых классическая электродинамика не справлялась. Квантовая теория блестяще объяснила характер спектров, что явилось одним из ее подтверждений). Но это не столько недостаток самой теории суперструн, сколько результат того, что наука «забралась» слишком далеко, и «копает» слишком глубоко.

Но в целом ситуация с теорией суперструн и ее конкуренцией с другими подходами мало чем отличается от обычной научной практики. Такие ситуации — вполне типичны для научного познания и его истории. В ней работают те же методологические принципы, что и в предшествующей физике, такие, например, как принцип соответствия, эстетический критерий. Так, как утверждают авторы теории, при изучении низкоэнергетических процессов или на достаточно больших расстояниях струну можно рассматривать как точечную частицу в формализме КТП. Но это и есть принцип соответствия, согласно которому новая теория при определенных значениях характеристических параметров (в данном случае — величины энергии и расстояний) переходит в старую теорию. Эстетический критерий, часто играющий роль внеэмпирического критерия отбора теорий в классической и неклассической физике, в теории суперструн выполняет функцию одного из главных критериев. Это объясняется тем, что эмпирический критерий в этой области знания пока не работает, и приходится уповать на методологические соображения.

Так же как и во всей предшествующей физике, теория суперструн строится как гипотетико-дедуктивная модель теоретического знания. Выдвигаются гипотезы, формулируются математические уравнения, отражающие закономерности поведения идеальных объектов теории, из них получают следствия, которые затем сопоставляются с данными экспериментов. Те идеальные объекты теории, которые предполагаются существующими в действительности, представляют собой онтологию теории. Выше уже говорилось, что многим физикам онтология теории суперструн представляется экзотической. Известно, что эта теория исходит из того, что самые элементарные компоненты Вселенной не точечные, а протяженные объекты. Они представляют собой крошечные одномерные волокна, подобные бесконечно тонким непрерывно вибрирующим резиновым лентам. Эти волокна-струны выступают ультрамикроскопическими компонентами, из которых состоят частицы, образующие атомы. Их размер сопоставим с планковской длиной (10-33 см). Согласно теории струн все вещество Вселенной и все взаимодействия обязаны одной величине — колеблющейся струне.

Предположение о протяженном характере элементарных объектов физики, на первый взгляд, выглядит довольно странно и представляется произвольным. Многие исследователи считают, что оно пришло в физику ниоткуда, что дало основание известному физику-теоретику Карло Ровелли охарактеризовать эту гипотезу как «дикую».

Также странно и непривычно звучит предположение о дополнительных размерностях пространства: все измерения пространства, помимо тех четырех, которые присущи окружающему нас миру, объявляются свернутыми. Но разве не казалась нам странной онтология квантовой теории в период ее формирования? Разве не кажется она странной и сейчас? Корпускулярно-волновой дуализм, предполагающий, что объекты микромира обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами (частица — это точечный объект, а волна — нечто бесконечно размазанное в пространстве); явление суперпозиции состояний (квантовый объект может находиться сразу во всех возможных состояниях); индетерминизм и вероятностное поведение микрообъектов — все это настолько не укладывалось в привычную классическую картину мира, что даже творцам новой теории при осознании сути открываемых ими законов нередко казалось, «будто почва уходит из-под ног»[85]. Тем не менее, квантовую теорию мы уже как-то «переварили». Мы привыкли и к ней, и к ее «странностям». Но так ли позитивно и толерантно относились к ней ее современники, свидетели ее становления и той «драмы идей», которые его сопровождали? То, что это чисто риторический вопрос, хорошо знают историки науки.