Постнеклассическое единство физики. 1995. (Кравец А.С.)

У 1995 г.

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЕ ЕДИНСТВО ФИЗИКИ

А.С.Кравец

По оценке А.Б.Мигдала, “история естествознания — это история попыток объяснить однородные явления общими причинами” [1]. Стремление к такому единству отнюдь не исчерпывается мировоззренческими потребностями в объяснении мира: в физике оно всегда играло важную конструктивную роль в формировании новых теорий. Так, Г.Галилей, устранивший качественное различие между законами Неба и Земли, провозгласил и осуществил программу поиска единых основополагающих физических принципов, с помощью которых можно объяснить любое механическое явление. Его дело продолжил И.Ньютон, создавший великую теорию, ставшую знаменем классической физики.

В работах Л.Эйлера, П.Лагранжа, У.Гамильтона, Б.Якоби классическая механика стала поистине универсальной теорией, способной на основе минимального числа исходных постулатов объяснить все механические явления. В конечном итоге успехи классической механики были настолько велики, что большинство ученых стали считать, что идеал единства всей науки уже достигнут, необходимо только распространить принципы механики на все разделы естествознания, а может быть, и на обществознание (Ж.–П.Лаплас). Единство, таким образом, понималось как сводимость всех физических явлений (и не только физических) к одной единственной идеальной теории.

Возникновение неклассической физики (специальной теории относительности и квантовой механики) нанесло сокрушительный удар по этим унитаристским амбициям. Шок от формирования нетрадиционных теорий, кардинально расходящихся с классическими установками, был настолько велик, что многие исследователи стали говорить о руинах старых принципов. Науке понадобилось значительное время, чтобы осмыслить качественную специфичность неклассической физики, ее несводимость к классическим идеалам. Идея единства физики, казалось бы, заметно пошатнулась. Физики стали отдавать предпочтение идее разнообразия перед идеей единства. Физика разбилась на различные предметные сферы: область движения с малыми скоростями противопоставлялась движению с большими (релятивистскими) скоростями, поле — веществу, микромир — макромиру и т.п. Именно с утверждением неклассической физики приходит убеждение, что подлинное развитие в науке совершается только через кардинальные революционные перевороты, а новая физическая теория должна быть альтернативна старой. Один из гениальных основателей новой физики Н.Бор даже высказывался в том духе, что новая теория в физике должна быть настолько нетрадиционной, чтобы казаться достаточно “сумасшедшей”. Правда, уже сам Н.Бор в ходе разработки квантовой механики сделал несколько важных шагов, чтобы установить связь квантовой теории с классической физикой. Он мастерски применял принцип дуализма и принцип соответствия. Первый принцип позволял перекинуть мост между полем и веществом, волновыми и корпускулярными свойствами, объединяя их в квантово–механическом подходе, который позволял находить предельные связи между новыми и старыми теориями. И все же убеждение в качественном разнообразии физики, в принципиальной несводимости теорий было всеобщим.

Но крот истории рыл усердно. Постепенно физика вошла в новый этап своего развития, который можно назвать постнеклассическим. Представление об этом этапе в методологию науки ввел В.С.Степин. “В историческом развитии науки, — пишет он, — начиная с XVII столетия, возникли три типа научной рациональности и соответственно три крупных этапа эволюции науки, сменявших друг друга в рамках развития техногенной цивилизации: 1) классическая наука (в двух ее состояниях: додисциплинарно и дисциплинарно организованная наука); 2) неклассическая наука; 3) постнеклассическая наука. Между этими этапами существуют своеобразные перекрытия, причем появление каждого нового этапа не отбрасывало предшествующих достижений, а только очерчивало сферу их действия, их применимость к определенным типам задач. Само же поле задач резко расширялось на каждом новом этапе за счет развития новых средств и методов ” [2]. Характерные особенности постнеклассического этапа в физике, развернувшегося в основном в последней трети XX в., еще предстоит осмыслить методологам, но уже сейчас видно, что он в значительной мере изменил наши представления о единстве физики. Этот этап диалектически преодолевает тезис классического периода об унитарном единстве физики и антитезис неклассического периода о ее качественном многообразии, подводя к заключению “о единстве в многообразии”.

Процесс интеграции физических теорий начался сразу же после разработки новых фундаментальных теорий (специальной теории относительности и квантовой механики) и развернулся на двух уровнях развития физических теорий. Во–первых, продолжалась углубленная работа по наведению мостов между классической и квантовой физикой. В основном этот процесс осуществлялся на очень абстрактном уровне обобщения математических формализмов. В результате стало очевидным, что при всем качественном различии конкретных физических смыслов и интерпретаций основных формул классической и квантовой механики между ними много общего (ведь и то и другое — все–таки механика). Математическим инвариантом здесь выступает обобщенный математический формализм П.Лагранжа, который соответствующим образом модифицируется в каждой теории (обобщенным координатам классической теории соответствуют эрмитовы операторы в неклассической теории). Были найдены также общие теоретико–групповые закономерности, которым подчиняется и та и другая теории.

Во–вторых, развернулся поиск новых теорий на путях синтеза уже имеющихся теорий. Задача–максимум, которую ставили перед собой физики, преследовала цель создания общей теории поля. Прецедент поиска такой общей теории был задан А.Эйнштейном при разработке общей теории тяготения (гравитации), в которой он пытался перекинуть мост от гравитации к электродинамике. Однако попытка квантования таких полей натолкнулась на неразрешимые математические трудности из–за появляющихся бесконечностей. Первый существенный прорыв удалось получить при разработке квантовой электродинамики, явившейся своеобразным синтезом электродинамики, квантовой механики и специальной теории относительности. Однако квантовая электродинамика была разрешима, т.е. приводила к последовательно вычисляемым результатам, только для особых исключительных случаев невзаимодействующих с частицами полей: она хорошо описывала состояние поля с наинизшей, невозбужденной энергией физического вакуума. Попытка учета возбужденных уровней и взаимодействия электромагнитного поля с электрон–позитронным полем приводила все к тем же расходимостям.

Второй прорыв был достигнут на пути объяснения сильных взаимодействий. Была создана квантовая хромодинамика, которая во многом строилась по аналогии с квантовой электродинамикой. Квантовая хромодинамика ввела представление о фундаментальных субчастицах — кварках, из которых построены сложные частицы — мультиплеты. Построение квантовой хромодинамики подсказало две фундаментальные идеи, которые впоследствии легли в основу программы объединения различных типов физических взаимодействий. Первая идея позволяла ввести представление об эффективном заряде, зависящем от расстояния взаимодействия (идея асимптотической свободы). Вторая состояла в том, что любая объективная теория должна быть инвариантна по отношению к калибровочным преобразованиям, т.е. должна быть теорией калибровочных полей особого типа — так называемых неабелевых калибровочных полей.

В 70–х годах были достигнуты успехи на пути объединения слабых и электромагнитных взаимодействий в одну теорию электрослабого взаимодействия [3]. В основу “демократического” принципа объединения было положено конструирование двух мультиплетов. Один из них соответствовал теоретико–групповым свойствам лептонов (электроны, мюоны, нейтроны и соответствующие античастицы), другой — объединял промежуточные векторные частицы (фотон и W–мезоны), переносящие взаимодействие между лептонами. Именно в построении единой теории электрослабых взаимодействий был найден руководящий принцип синтеза различных взаимодействий — принцип локальной симметрии.

Под глобальными симметриями понимают обычно внутренние симметрии взаимодействий, не зависящие от положения в пространстве и времени. Использование глобальных симметрий оказалось особенно эффективным в теории взаимодействия кварков (“восьмеричный путь”). Локальная симметрия оставляет тождественными характеристические функции полей при непрерывном переходе от точки к точке. Принцип локальной симметрии перебросил мост между динамическими симметриями и пространством и временем. Физическими следствиями локальной симметрии являются существование безмассовых частиц, которые служат переносчиками взаимодействия, и сохранение заряда частицы, который характеризует силу взаимодействия с этим переносчиком.

Идея локальной симметрии была дополнена второй принципиально важной идеей спонтанного нарушения симметрии. Грубо говоря, если первая идея позволила найти теоретико–групповое единство двух видов взаимодействий, то вторая позволила объяснить возникающие у них при определенных физических условиях различия. Спонтанное нарушение симметрии, связанное с особым состоянием поля (образованием бозе–конденсата) должно было приводить к появлению реально наблюдаемых масс частиц, зарядов и разделению взаимодействий. Для теоретического объяснения этих сложных процессов была построена теория Хиггса.

Наконец, нельзя не сказать и о серьезном продвижении в старой проблеме перенормировок масс и зарядов (борьба с расходимостями). На пути объединения взаимодействий с этой проблемой оказалось легче справиться. В конечном счете была развита общая теория перенормировок — теория ренормгрупповых преобразований, которая вскрыла зависимость константы взаимодействий от радиуса взаимодействия [4].

Все эти потоки развития теоретической мысли привели к новому объединению — единой теории электрослабых и сильных взаимодействий, — называемому обычно Великим объединением. В основе этой теории, вобравшей в себя по существу все основные результаты физики элементарных частиц, лежит синтез новых физических принципов (принципа калибровочных полей, принципа локальной симметрии вместе с идеей спонтанно нару