Часть 2.

явлений реального мира, то у Ньютона

уточняется способ связи уже унифицированных

атомов (материальных аналогов

математических бесконечно малых или

дифференциалов), и на смену "наивным"

крючкам античности приходит сила гравита-

ции, которая объединяет всю Вселенную и

четко отражена в законе всемирного

тяготения. Эти уточнения не затронули

основы атомистической концепции, - в основе

мира лежит полное и пустое, бытие и небытие

(которое существует не менее реально, чем

бытие). Плотные атомы двигаются в

бестелесной пустоте, которая в ньютоновской

механике трансформировалась в абсолютное

пространство. Это абсолютное пространство

играет в классической механике очень важную

и новую роль - роль привилегированной

универсальной инерциальной системы отсчета,

но при этом оно не перестает быть пустотой,

которая была усмотрена умозрением великого

Абдерита более двух с половиной тысяч лет

назад.

В рамках этой атомистической концепции

строения материи была развита классическая

механика, которая достигла огромных успехов

в описании природы. Более того, механика

стала трактоваться как некая единственно

фундаментальная наука: все сводилось,

редуцировалось к механике, к построению

механических моделей, к решению

механических уравнений. Вселенная предстала

как гигантский механизм.

С развитием электромагнитной картины мира

в физике достойное место заняла и

континуалистическая концепция строения

материи. Но она выступила не как отрицание

атомистической концепции вообще, а как

48

отрицание ее лишь механической конкретной

модели. Более того, целый ряд

экспериментальных и теоретических

исследований показал, что в природе

существуют дискретные элементарные объекты

в рамках электромагнитной картины мира.

Атомизм был возрожден на более глубоком

уровне строения материи - само

электричество оказалось "атомистичным",

состоящим из электронов ("крайне малые

электрически заряженные частички").

В конце ХIХ - начале ХХ столетий

атомистическая концепция строения материи

получила очень существенное развитие,

которое привело к очень странным

результатам, находящимся в поразительном

противоречии с исходными представлениями

атомистики.

Нечто похожее уже произошло с одним из

начал атомистической доктрины:

первоначальное представление о пространстве

как пустоте постепенно трансформировалось

(в оптике) в свою противоположность, и эфир

(как ипостась абсолютного пространства

Ньютона) стали рассматривать как твердое

тело.

Теперь аналогичная история, только с

обратным знаком, произошла с самим атомом.

В 1911 г. Э.Резерфорд показал, что

положительное электричество в атомах

сконцентрировано в неких частицах, а не

рассредоточено по всему атому. Атом

оказался не плотным биллиардным шаром, а

некоей "солнечной системой" в миниатюре.

Главное в этой модели то, что масса атома

сосредоточена в мельчайших частицах,

которые занимают ничтожную часть объема

атома. Получается, что атом в основном

49

состоит из внутриатомной пустоты, что он

пуст.

Во всяком случае развитие физики

продемонстрировало интересную тенденцию к

оборотничеству: пустой эфир может оказаться

"твердым телом", а атом, хотя и является

изначальным синонимом твердости, может

оказаться на поверку весьма эфемерным

образованием, почти пустотой. Но все это

было лишь началом познания глубокой

диалектики в строении материи.

На повестке дня физики начала ХХ века

встала проблема построения специальной

механики атомного мира. Если у Демокрита

атомы сцеплялись крючками, у Ньютона они

соединялись гравитационным притяжением (о

природе которого сам Ньютон ничего

определенного не знал), то в современной

физике элементарные частицы взаимодействуют

путем обмена квантами соответствующих

полей. Построение квантовой механики дало

возможность понять сложный мир атомов и

навести там порядок. Но при этом

выяснилось, что сами атомы совсем не явля-

ются некими первокирпичиками в структуре

материи, а суть сложные динамические

системы, составленные из различных

элементарных частиц: электронов, протонов,

нейтронов. Сложилась следующая ситуация: с

одной стороны, существуют элементарные

частицы, и они участвуют в различных

взаимодействиях, а с другой - не существует

какой-либо теории (или теорий), описывающей

законы этого нового, более глубокого уровня

структурной организации материи.

Физики попытались ликвидировать этот

пробел, но натолкнулись на следующую

трудность: известных элементарных частиц -

50

электронов, протонов, нейтронов и фотонов -

вполне хватало для объяснения порядка в

атомном мире (кстати, этого порядка удалось

достичь лишь в начале 30-х годов, когда был

обнаружен нейтрон, выяснена его роль в

реакциях распада атомов и развита протон-

нейтронная модель ядра Д.Д.Иваненко-

В.Гейзенберга), но их катастрофически не

хватало для наведения порядка

непосредственно в мире элементарных частиц.

Для построения здания физики микромира

известных четырех "кирпичиков" оказалось

мало. Соответственно в физику стали по-

степенно, но со все нарастающей

интенсивностью проникать новые элементарные

частицы - сейчас различные "странные",

"очарованные", "цветные" и т.д.

элементарные частицы считают не единицами,

а сотнями.

В этом процессе порождения новых

элементарных частиц великую роль сыграли

законы сохранения и идеи симметрии, которые

оказались глубоко взаимосвязанными

компонентами физического знания, а также

соображения о единообразии механизмов

различных физических взаимодействий

микрообъектов.

По мере развития физики микромира

непрерывно возрастает роль идей симметрии.

Следует учитывать, что математической

основой современных теорий различных

фундаментальных физических взаимодействий

являются соответствующие группы симметрий и

их представления (что, конечно, не отрицает

значимости исследований в рамках иных

математических структур). Мы еще вернемся к

этому вопросу позднее, а сейчас просто

отметим, что плодотворность идеи симметрии

51

в полной мере проявилась в первых же ее

применениях в физике микромира - в этой

области она привела к ряду принципиально

новых представлений. Достаточно показателен

пример с появлением в физике античастиц.

Уже простое объединение квантовой механики

со специальной теорией относительности

привело П.А.Дирака к выводу, что в природе

должны существовать положительно заряженные

антиподы электрона - они были названы

позитронами и в дальнейшем экспериментально

обнаружены.

Принципиальное значение этого открытия

великолепно отразил В.Гейзенберг,

акцентируя внимание на роли идей симметрии:

"При этом существенным было отнюдь не

открытие еще одной, до того неизвестной

частицы - было открыто еще множество частиц

без сколько-нибудь серьезных последствий

для оснований физики: существенным было

открытие новой симметрии, сопряженности

частиц - античастиц, тесно связанной с

лоренцовой группой специальной теории

относительности, а также с превращением

кинетической энергии сталкивающихся частиц

в массу покоя частиц и обратно"1.

В дальнейшем выяснилось, что и другие

элементарные частицы обладают своими

"антидвойниками". Отличаются частицы и

античастицы знаком заряда. Причем, если в

электромагнитных взаимодействиях участвуют

электрически заряженные частицы, то для

других типов взаимодействий характерны свои

специфические заряды (лептонный, барионный

____________________

1 Гейзенберг В. Космическое излучение и

фундаментальные проблемы физики //

УФН. 1977. Т. 121, вып. 4. С. 670.

52

и др.). Элементарная частица может быть

нейтральной в отношении одного взаимодей-

ствия, но "заряженной" - в отношении

другого. Не менее важную роль в развитии

физики микромира сыграли соображения о еди-

нообразии механизмов физических

взаимодействий элементарных частиц.

Образцом для подражания послужила квантовая

электродинамика, в рамках которой было

выяснено, что взаимодействие электрических

зарядов осуществляется с помощью обмена

фотонами. По этому рецепту постарались

развить теории других типов взаимодействий,

что потребовало введения в физику микромира

новых обменных элементарных частиц - мезо-

нов (Х.Юкава и др.).

Что же касается самих ядерных частиц -

нуклонов, то они оказались всего лишь двумя

представителями огромного семейства сильно

взаимодействующих частиц, число которых

сегодня достигает нескольких сотен. Они

объединены под общим названием адроны.

Нуклоны оказались всего лишь вершиной

огромного адронного айсберга, которая

оказывается в сравнительно стабильном

атомном мире, "под водой" расположена

основная часть, составленная из

нестабильных, быстро распадающихся (время

жизни некоторых адронов составляет всего

лишь 10-22с!) барионов, мезонов, гиперонов,

резонансов и др.

Если на заре атомного века было известно

слишком мало частиц, чтобы можно было из

них построить стройное здание физики

микромира, то теперь этих "первокирпичиков"

оказалось слишком много, и они столь

разношерстны, что о постройке здания опять

не могло идти и речи. Прежде всего,

53

элементарные частицы следовало как-то

классифицировать, а затем попытаться

систематизировать в рамках соответствующих

физических теорий.

Первоначальная классификация элементарных

частиц началась, собственно говоря, еще в

рамках квантовой механики. При попытках

навести порядок в атомном мире, физики

столкнулись с множеством трудностей (типа

аномального эффекта Зеемана), которые имели

общее происхождение - их решение зависело

от ответа на вопрос: почему в основном

состоянии атома все электроны не занимают

самой первой внутренней оболочки?

Что заставляет электроны

рассредоточиваться по разным орбитам, что

обусловливает характер заполнения каждой

электронной оболочки атома? Решение было

найдено В.Паули, который в 1925 г.

сформулировал новый физический принцип -

принцип запрета. Этот принцип запрещает

двум электронам находиться в одном и том же

квантовом состоянии (которое задается

набором квантовых чисел). На их фоне

заметно выделяются другие частицы,

обладающие "общительным" характером, кото-

рые могут в любом состоянии находиться в

любом количестве. Примером таких частиц

является наш старый знакомый - фотон. Так

произошла наиболее общая классификация

элементарных частиц на "общительные" и

"необщительные". Смысл этой классификации

стал выясняться после того, как в том же

1925 г. Уленбек и Гаудсмит ввели

представление о спине электрона. Не-

общительные частицы оказываются

обладательницами полуцелых спинов и

подчиняются специальной статистике Ферми-

54

Дирака. Эти частицы получили название

фермионов. Что же касается общительных

частиц с целочисленными спинами, то они

подчиняются совершенно иной статистике

Бозе-Эйнштейна и именуются бозонами.

Следующим шагом была попытка построить

теории различных взаимодействий

элементарных частиц. Здесь следует учиты-

вать, что само представление о

взаимодействии претерпело существенное

изменение при переходе к физике микромира.

В различных взаимодействиях участвуют

различные элементарные частицы, и они

обмениваются также различными промежуточ-

ными частицами, переносчиками

соответствующих взаимодействий. Однако при

этом многообразии различий все же есть одно

очень важное единство - все взаимодействия

элементарных частиц обладают единым

механизмом. Это обусловило попытки

построения теорий различных взаимодействий

по единому образцу.

Таким образцом послужила первая

конкретная квантовополевая теория

электромагнитных взаимодействий

элементарных частиц - квантовая

электродинамика. Квантовую электродинамику

характеризует ряд очень важных

особенностей. Во-первых, в этой теории

взаимодействие реализуется посредством

рождения и поглощения промежуточных квантов

поля (фотонов) - переносчика

взаимодействия, которым является

электромагнитное поле. Во-вторых, квантовая

электродинамика является локальной теорией,

т.е. взаимодействие (рождение и поглощение)

происходит в точке пространства-времени. В

этой теории фигурируют точечные частицы,

55

которые взаимодействуют в точке простран-

ства-времени. В-третьих, квантовая

электродинамика является перенормируемой

теорией. Здесь же следует отметить, что эта

теория существенно основывается на очень

общей технике вычислений, называемой

теорией возмущений. Создать такую теорию

возмущений позволила разработка в начале

50-х годов Р.Фейнманом, Ю.Швингером,

С.Томонагой и Ф.Дайсоном корректно

определенной процедуры перенормировки. Как

выяснилось, среди всех возможных конкретных

теорий, которые можно сформулировать в

рамках квантово-полевой исследовательской

программы, есть особый класс теорий,

называемых перенормируемыми. В этих теориях

преобразования конечного числа основных

параметров (масса, заряд и др.) устраняют

бесконечность во всех членах ряда теории

возмущений сразу. Именно этим свойством

обладает квантовая электродинамика.

Применение метода перенормировок привело

к наивысшему во всей современной физике

согласованию теории с экспериментом - с

точностью 10-10.

В теории сильных взаимодействий ситуация

была еще более сложной. Дело в том, что

константа связи для сильных (ядерных)

взаимодействий оказалась больше единицы -

ее величина, полученная из анализа

взаимодействий p - мезонов с нуклонами,

оказалась примерно равной 14. Таким

образом, трудности возникали не на уровне

перенормировки, а на предшествующем этапе

56

построения теории - не работала теория

возмущений3.

Вышеуказанные моменты определили

различные возможные пути выхода из

затруднений локальной квантовой теории

поля. Во-первых, можно было пойти по пути

отказа от локальности взаимодействий и

перейти к рассмотрению протяженных частиц -

так строились нелокальные теории поля.

Более того, попытались даже ревизовать

представление о непрерывности пространства-

времени, ибо введение в физику микромира

"кванта" пространства-времени механически

устраняет расходимости.

Во-вторых, были предприняты попытки выйти

вообще за рамки квантово-полевой

исследовательской программы - это было

характерно для таких направлений, как

аналитическая теория S-матрицы или

бутстрапная идеолгия. Речь шла не только об

отказе от полевых переменных, динамических

уравнений и т.д., но и о существенном

изменении наших представлений о структуре

материи.

Все подобные направления свидетельствуют

о том, что современная физика элементарных

частиц не исчерпывается лишь квантовой

теорией поля. Однако, все другие

направления сталкиваются с существенными

трудностями и лишены определенной цельности

и целенаправленности.

В-третьих, многочисленность и

многозарядовость (вспомним об одиннадцати

константах связи сильных взаимодействий)

____________________

2 Вайнберг С. Единые теории взаимодействия

элементарных частиц // УФН. 1976. Т. 118,

вып. 3. С. 510-511.

57

адронов, которые к тому же обладают

размерами и внутренней структурой, можно

было интерпретировать как свидетельство их

неэлементарности. Соответственно встает

вопрос о фундаментальных элементарных

частицах, которые лежат в основе адронов и

вместе с точечными и бесструктурными лепто-

нами образуют истинный (хотя бы на

сегодняшний день) фундамент материи.

В-четвертых, можно было не просто

отказаться от квантово-полевой

исследовательской программы, а попытаться

пересмотреть и обобщить ее основы. Для

этого необходимо было развить новую

базисную теорию, которая могла бы сыграть

роль "твердого ядра" новой

исследовательской программы. Конкретный

вариант такой теории был создан в 1954 г.

Ч.Янгом и Р.Миллсом - неабелева

калибровочная квантовая теория поля.

Локальная неабелевая теория Янга-Миллса

первоначально представлялась многим физикам

лишь "интересной математической игрушкой"

(Л.Б.Окунь). Показательно, что в

коллективном труде "Философские проблемы

физики элементарных частиц" (М., 1963),

получившем международную известность и

высоко оцененном научной общественностью,

основное внимане авторов было уделено

нелокальным обобщениям, квантованию

пространства-времени, дисперсионным

соотношениям и т.д., но даже вскользь не

упоминается работа Янга-Миллса и связанная

с ней проблематика. Однако, именно ей

суждено было сыграть решающую роль в

последующем развитии физики элементарных

частиц.

58

Первые успехи были достигнуты в рамках

традиционной квантово-полевой мезодинамики

и носили формальный характер: речь шла об

успешном объединении всего множества адро-

нов в некую упорядоченную конструкцию.Такая

идея супермультиплетов была реализована в

1962 г. М.Гелл- Манном и Ю.Нейманом. Этот

результат можно было рассматривать как су-

губо формальное достижение, как некое

возрождение пифагорейских игр с числами,

которое привело к формальной классификации

частиц. Однако скоро выяснилось, что

ситуация больше напоминает создание таблицы

химических элементов Д.И.Менделеева, ибо

классификация М.Гелл-Манна и Ю.Неймана

позволяла предсказывать существование ранее

неизвестных адронов, и они были

экспериментально обнаружены, заняв

предназначенные для них в таблице места.

Но этим не исчерпывается эвристический

потенциал супермультиплетной классификации

адронов по группе SU (3) - на ее основе в

1963 г. М.Гелл-Манн и независимо от него

Г.Цвейг развили оригинальную кварковую

модель.

Вновь возникла надежда, что в основе

материи лежат немногочисленные

фундаментальные элементарные частицы: все

огромное многоликое множество адронов

оказывается очень изящно сведенным к трем

первокирпичикам - кваркам, которые также

описываются группой SU (3). В рамках этой

группы симметрии кварки образуют семейство

из трех членов (u, d и s) со спином 1/2.

Все остальные квантовые числа у кварков

различаются. Однако у кварков была одна

обескураживающая особенность: они обладают

дробным электрическими зарядами. Пред-

59

ставления о кварках заставляют нас

пересмотреть догму об абсолютности

элементарного заряда электрона, ибо u-кварк

имеет заряд +2/3 е, а d - и s-кварки

обладают электрическим зарядом по -1/3 е.

В 1969 г. на ускорителе в Стенфорде

приступили к изучению глубоконеупругих

рассеяний электронов нуклонами. В этих эк-

спериментах было обнаружено. что внутри

нуклонов расположены точечные частицы

(Р.Фейнман назвал их партонами), стал-

киваясь с которыми электроны резко меняют

направление движения. Все очень напоминало

давнюю ситуацию в опытах Резерфорда, когда

было обнаружено ядро. С той только

разницей, что теперь были обнаружены

партоны (в дальнейшем было доказано. что

эти партоны как раз и являются кварками),

которые до сих пор предпочитают не

появляться в свободном состоянии. Есть

подозрение, что они в свободном состоянии

вообще не могут существовать.

Итак, были достигнуты великолепные

результаты и построена корректная теория

сильных взаимодействий - квантовая

хромодинамика. Но этот успех оказался

возможным лишь в рамках новой

исследовательской программы, в основе

которой лежит новая базисная теория -

перенормируемая квантовая теория неабелевых

калибровочных полей со спонтанно нарушенной

симметрией. Это была реализация четвертого

пути развития, на котором удалось не только

построить квантовую хромодинамику, но и

объединить слабые и электромагнитные

взаимодействия в рамках единой теории и,

более того, разработать плодотворные основы

для построения единой теории всех видов

60

физических взаимодействий элементарных

частиц.

Каковы же основные вехи на пути

построения теории сильных взаимодействий, с

которой в физику вошли необычные квантовые

теории полей нового типа? Следует, конечно

же, отметить, что в начале 70-х годов была

выясннена ограниченность первоначальной

трехкварковой модели.

Последующие экспериментальные открытия

потребовали введения в физику новых сортов

(их стали называть ароматами) кварков, что

же касается теоретических соображений, то

они потребовали введения тонких различий

внутри каждого аромата.

Если мезоны вполне удовлетворяли

требованиям статистики, ибо образованы из

частицы и античастицы, у которых

различаются квантовые числа, то иная

картина получается в случае барионов, часть

из которых образовывалась тремя кварками с

одинаковыми квантовыми числами (например,

uuu, ddd и sss), что несовместимо с

принципами запрета.

Отдельные исследователи предполагают, что

каждый аромат кварка может существовать в

трех различных состояниях, которые

характеризуются одинаковыми значениями всех

квантовых чисел, а их отличие определяется

новым параметром, который имеет как раз три

различных значения, - этот параметр получил

условное название "цвет".

Естественно, что все эти кварковые

ароматы и цвета не имеют никакого отношения

к нашему сенсорному аппарату, - здесь не

поможет ни нос дегустатора, ни глаз

художника. Тем не менее, в новом квантовом

числе присутствует одна особенность,

61

которая наталкивает на аналогию с цветовыми

соотношениями. Так, если складывать

различные цвета вместе, то в итоге возни-

кает белый цвет, т.е. вместо множества

цветов получается обесцвечивание.

Аналогичная ситуация наблюдается в

микромире: если мы "сложим" желтый, синий и

красный кварки, то получим бесцветный

барион. Что же касается бесцветности

мезонов, то она обеспечивается соединением

цвета и антицвета (это дополнительный цвет

антикварка).

Цвет оказался давно разыскиваемым

физиками "сильным" зарядом. Если в

электромагнитных взаимодействиях участвуют

частицы с электрическим зарядом, которые

симметричны относительно положительного и

отрицательного знаков, то в сильных

взаимодействиях участвуют кварки,

обладающие "сильным" зарядом, цветом,

которые симметричны относительно трех

цветов.

Непросто представить себе те необычные

последствия, к которым ведет переход физики

от концепции двуполярных зарядов к зарядам

трехполярным. Это особенно ярко проявилось

при выяснении механизма сильных

взаимодействий. На помощь приходит

представление об единообразии всех

фундаментальных взаимодействий, что

проявляется, например, в их обменном ха-

рактере. В качестве канона, с которым можно

проводить сравнение, берут квантовую

электродинамику - единственную успешно

развитую квантово-полевую теорию. В этой

теории описываются электромагнитные

взаимодействия элементарных частиц, обла-

дающих электрическими зарядами двух знаков

62

(+ и -), и это взаимодействие реализуется

обменом частиц одного типа - электрически

нейтральными безмассовыми фотонами.

Переход к трехполярным "сильным" зарядам

резко усложнил картину и механизм

взаимодействия - для переноса сильных

взаимодействий необходим обмен восемью

различными частицами, которые, как и фотон,

являются безмассовыми и обладают спином,

равным I. Эти векторные бозоны были названы

глюонами, ибо они "склеивают" кварки в

адронах.

Конечно, поражает воображение уже сам

факт такого количественного роста типов

частиц, необходимых для реализации вза-

имодействия, но оказывается, что с глюонами

в физику пришли и качественные изменения в

наших представлениях о механизме

взаимодействий. Дело в том, что сами глюоны

несут цветовой заряд (в отличие от

электрически нейтрального фотона), а это

означает, что они находятся между собой в

сильном взаимодействии, что они испускают и

поглощают друг друга, изменяя при этом свой

цвет. Для отражения этого необычного

процесса Л.Б.Окунь нашел наглядный образ:

это как бы "светящийся свет"4.

Такие емкие образы крайне важны при

продвижении познания на качественно новые

уровни строения материи, но нас больше

интересуют те новые теоретические и

концептуальные средства, которые позволили

познать закономерности этого уровня мира, в

данном случае - позволили построить теорию

сильных взаимодействий, которая описывает

____________________

3 Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц.

М., 1988. С. 43.

63

кварк-глюонные взаимодействия и называется

квантовой хромодинамикой (от греч. "хромос"

- цвет).

Во-первых, если уравнения

электродинамики, вообще говоря, линейны, то

уравнения квантовой хромодинамики принци-

пиально нелинейны, в чем отражается факт

самодействия элементарных частиц. Во-

вторых, введение в физику адронов пред-

ставления о цвете повлекло за собой

пересмотр группы симметрии SU (3), которая

первоначально имела дело с тремя ароматами

кварков. Она оказалась лишь приближенной

симметрией, и ей на смену пришла цветная SU

(3) - симметрия, которая является точной

(кварки одного аромата но разных цветов

имеют одинаковые массы).

В-третьих, квантовая хромодинамика на

основе SU` (3) - симметрии оказалась

отнесеной к очень интересному классу теорий

- это класс калибровочных теорий. С этим

типом теорий и соответствующими

калибровочными преобразованиями, сим-

метриями и инвариантностью физики знакомы

достаточно давно. Здесь можно указать,

например, классическую электродинамику,

которая относится к классу калибровочных

теорий.

Однако введение в физику неабелевых

калибровочных теорий помогло не только

развить квантовую хромодинамику, но и

поставило на повестку дня создание

соответствующей единой теории всех

(электромагнитных, слабых и сильных)

взаимодействий элементарных частиц. Было

выяснено, что калибровочная инвариантность

обладает универсальным статусом.

Перспективы, открываемые программой

64

неабелевых калибровочных полей в

современной физике, грандиозны.

Калибровочная инвариантность стала одной

из основ объединения фундаментальных

физических взаимодействий. Реализации

такого объединения способствовало развитие

в физике множества принципиально новых

представлений (часть из которых мы уже

упоминали при анализе квантовой

хромодинамики).

В первую очередь, следует отметить, что в

современной физике произошла ревизия самого

метафизически застывшего членения природы

на различные типы фундаментальных взаимо-

действий. Проявлением и подтверждением

таких разграничений в природе служили

существенно различающиеся по величине и

фиксированные константы различных

взаимодействий, определяющие их силу и

характер. В этой связи достаточно вспомнить

постоянную тонкой структуры, которая

характеризует электромагнитные

взаимодействия и чья малая величина (

I/137) во многом предопределила возможность

построения корректной квантовой

электродинамики.

Однако развитие современной физики

вскрыло поразительный факт: оказалось, что

все эти константы различных фундаментальных

взаимодействий не являются строго

фиксированными. Величины этих констант

зависят от передаваемой массы (импульса)

обменных частиц. Эта ситуация нашла

отражение в новом названии этих констант -

их стали называть бегущими. Например, при

массах обменных частиц 1015 Гэв бегущие

константы электромагнитных, слабых и

сильных взаимодействий сравниваются по

65

величине, и мы имеем дело с единой констан-

той единого взаимодействия.

В этом случае не учитываются

гравитационные взаимодействия, которые

входят в подобное объединение при фантасти-

чески огромных энергиях. А для современной

ситуации и область 1015 Гэв лежит далеко

за пределами возможности не только

сегодняшней, но, пожалуй, и завтрашней

физики. Если же мы обратимся к области

"сбегания" констант электромагнитного и

слабого взаимодействия, то в этом случае

требуются значительно меньшие массы

(импульсы) обменных частиц - речь идет о

величинах порядка сотни гигаэлектронвольт.

Такие значения лежат в пределах

возможностей современной ускорительной тех-

ники, и поэтому вопрос о создании единой

теории электромагнитных и слабых (их

называют электрослабыми) взаимодействий

является крайне актуальным как в

теоретическом, так и в экспериментальном

плане.

Именно в этой области были достигнуты

наиболее впечатляющие успехи в физике

последних лет: в 1979 г. С.Вайнберг,

Ш.Глэшоу и А.Салам были удостоены

Нобелевской премии за создание единой

теории электрослабых взаимодействий, а

лауреатами этой премии за 1984 г. оказались

К.Руббиа и С. ван дер Меер за их

определяющий вклад в проект, осуществление

которого привело к экспериментальному

обнаружению Wё и Z0 - бозонов,

существование которых следует из теории

Вайнберга-Глэшоу- Салама.

В свою очередь, создание единой теории

электрослабых взаимодействий Вайнберга-

66

Глэшоу-Салама явилось, наряду с развитием

квантовой хромодинамики, значительным

достижением на пути реализации программы

неабелевой калибровочной квантовой теории

поля. Идеи, лежащие в основе этого успеха,

определяют пути и реальные перспективы

построения единой теории всех форм

взаимодействий элементарных частиц

(программа "Великого синтеза"). Это

кварковая модель, SU (3) - цветовая

симметрия сильных взаимодействий, локально

калибровочный характер этих симметрий,

существование спонтанно нарушенной

симметрии и новый статус перенормировки.

На каком пути будет достигнуто это

объединение? Сейчас, конечно, невозможно

ответить на этот вопрос исчерпывающе и

определенно. Может быть, для этого надо

будет ввести какие-то более фундаментальные

частицы, из которых состоят и лептоны, и

кварки (лептокварки, преоны и т.д.), но,

может быть, нужно рассматривать все

известные сейчас фундаментальные частицы

как составляющие единого мультиплета,

описываемого группой симметрии,

объединяющей симметрии U (1), SU (2), SU

(3) и др.

Такой подход, основанный на расширении

группы симметрии, кажется наиболее

перспективным, но при этом все равно

остается вопрос о характере расширения

группы.

67

В.П.Бранский

КВAНТОВО-ПОЛЕВОЙ И ХРОНОГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ

ПОДХОДЫ В ТЕОРИИ ЭЛЕМЕНТAРНЫХ ЧAСТИЦ

История формирования теории элементарных

частиц (ТЭЧ) с методологической точки

зрения очень поучительна. Именно здесь

общие закономерности формирования новой

фундаментальной теории проявляются в

особенно ясной и отчетливой форме. В то же

время, ввиду незавершенности процесса

становления ТЭЧ, его методологический

анализ имеет свою специфику.

Как известно, главная проблема ТЭЧ

состоит в следующем: зная фундаментальные

(масса, заряд, спин и т.п.) и динамические

(энергия, импульс и т.п.) характеристики

взаимодействующих элементарных частиц,

определить, какие именно новые частицы

могут образоваться в результате такого

взаимодействия и с какой вероятностью. При

этом речь идет о решении этой проблемы не

только в отдельных частных случаях (для

некоторых классов взаимодействий), а и в

общем случае (для любых взаимодействий). В

этой своей предельно общей форме указанная

проблема сегодня в полном смысле является

"проблемой века". Она является ключевой

потому, что закономерности взаимодействия

частиц включают в себя и закономерности их

взаимопревращений, а последние определяют и

закономерности классификации частиц,

критерий элементарности и т.п. В качестве

необходимого условия решения указанной

68

проблемы выступает "великое объединение"

(грандобъединение) электрослабого (КФД -

квантовая флаводинамика) и сильного (КХД -

квантовая хромодинамика) взаимодействий.

Существует множество подходов к решению

"проблемы века". От обилия различных

подходов и точек зрения даже у опытного

теоретика буквально "рябит в глазах".

Естественно, что на этом крайне

запутанном и тернистом пути его поджидает

немало опасностей чисто методологического

характера. Будучи поглощен практической

работой, он об этих опасностях вообще не

думает. А между тем, игнорирование таких

методологических "рифов" нередко приводит к

тому, что некоторые проблемы, которыми он

занимается в течение многих лет, в

дальнейшем оказываются псевдопроблемами1.

Самыми серьезными из упомянутых "рифов"

являются феноменологизм (отказ от раскрытия

физической сущности описываемых явлений),

спекулятивизм (попытка раскрыть эту

сущность с помощью умозрительных понятий,

исключающих экспериментальную проверку) и

метафоризм (попытка раскрыть сущность

принципиально новых явлений с помощью

старых теоретических понятий, что может до

поры до времени выдерживать опытную

проверку, но ведет к теоретическим

парадоксам). Стихийное игнорирование этих

трех опасностей наглядно подтверждает

____________________

1 Таким образом, "экономия" времени за счет

методологических изысканий приводит, в

конечном счете, к гораздо большей

растрате рабочего времени вследствие

неудачно выбранного направления

исследований.

69

справедливость слов Эйнштейна, что точная

наука без теории познания "становится

примитивной и путаной".

При огромном разнообразии умозрительных

возможностей и их формальных выражений

требуется какой-то ориентир, который

позволил бы ограничить множество

возможностей и облегчить, тем самым,

нахождение пути к истине. Так как число

количественных возможностей значительно

превышает число качественных, то этот

ориентир по самому своему существу должен

иметь качественный характер.

Методологический анализ фундаментальных

теоретических понятий, их взаимоотношений,

возможностей их развития и тех противоречий

("антиномий"), которые возникают в ходе

этого развития. Когда многочисленные по-

пытки строгой математической формулировки

теории образуют "непроходимые джунгли"

формальных конструкций, качественный анализ

фундаментальных понятий ("идейной стороны"

теории) играет роль ариадниной нити,

позволяющей выбраться из этого, с первого

взгляда, безнадежно запутанного лабиринта и

увидеть за деревьями лес. Конечной целью

указанного анализа является выработка такой

исследовательской программы, которая бы

решала обнаруженные теоретические антиномии

и исключала феноменологизм, спекулятивизм и

метафоризм.

Несмотря на огромное разнообразие

различных подходов к проблеме построения

единой ТЭЧ, в истории ТЭЧ четко просле-

живаются две ведущие тенденции: стремление

1) сохранить неизменным понятие

макроскопического пространства-времени,

описываемого псевдоевклидовой геометрией

70

(то есть "плоского", но анизотропного) и

впервые введенного Минковским в 1908 г.2, и

2) изменить его. Первая может быть условно

названа квантово-полевым подходом,

поскольку пространство-время Минковского, в

точках которого возможно уничтожение и

рождение элементарных частиц, получило

название "квантового поля". Вторую можно

назвать хроногеометрическим подходом, ввиду

того, что она связана с изменением

"хроногеометрии" (то есть структуры про-

странства-времени). Как квантово-полевой,

так и хроногеометрический подход в процессе

своего развития породил несколько мо-

дификаций. Важнейшими разновидностями

квантово-полевого подхода являются

аксиоматический (исследование аксиом, кото-

рым подчиняется взаимодействие различных

квантовых полей), унифицирующий (сведение

множества полей к единому полю,

взаимодействующему с самим собой) и

калибровочный (исследование такого

взаимодействия полей, которое инвариантно

относительно локальных калибровочных

преобразований). Так как ТЭЧ как квантовая

теория поля в ее калибровочном варианте

(квантовая теория калибровочных полей -

КТКП) достигла наибольших результатов и

является в настоящее время наиболее

развитой формой квантово-полевого подхода,

то калибровочный подход заслуживает более

детального рассмотрения. Основным понятием

КТКП является понятие калибровочного

квантового поля. Оно представляет собой

____________________

2 Минковский Г. Пространство и время.

(Принцип относительности) / Сост.

А.А.Тяпкин. М., 1973.

71

такое квантовое поле, взаимодействие

которого с другими квантовыми полями инва-

риантно относительно локальных

калибровочных преобразований.

История калибровочного подхода вкратце

такова3. В 1954-1964 гг. были заложены

основы общей КТКП (Янг и Миллс, Хиггс и

др.), в 1967-1968 гг. путем применения этой

общей теории к слабым взаимодействиям была

построена теория электрослабых

взаимодействий (квантовая флаводинамика -

КФД), которая обнаружила глубокую связь

между слабыми и электромагнитными

взаимодействиями и сделала описание слабых

взаимодействий "перенормируемым", то есть

свободным от расходимостей (Вейнберг и

Салам), в 1972-1973 гг. на основе приме-

нения КТКП к сильным взаимодействиям была

построена теория сильных взаимодействий

(квантовая хромодинамика - КХД), которая

сделала перенормируемым описание сильных

взаимодействий при высоких энергиях (Гелл-

Манн, Вейнберг, Гросс, Вильчек, Политцер).

В период с 1973 по начало 80-х годов усилия

теоретиков сконцентрировалось в двух

направлениях: с одной стороны, делались

попытки завершить построение КХД, построив

перенормируемую теорию сильных

взаимодействий при низких энергиях (т.н.

проблема конфайнмента), с другой стороны,

начались исследования в области синтеза КФД

и КХД (грандкалибровочные теории (CVT) и

____________________

3 См.: Квантовая теория калибровочных полей

// Новости фундаментальной физики.

Вып. 8. М., 1977; Славнов А.А.,

Фаддеев Л.Д. Введение в квантовую теорию

калибровочных полей. М., 1978 и др.

72

суперкалибровочные теории (SUSY). Очевидно,

что общая ТЭЧ, описывающая любые

взаимодействия любых элементарных частиц,

может быть построена только после решения

проблемы "великого объединения", или (как

выразился Салам) "калибровочного

объединения фундаментальных сил". В рамках

КТКП эта проблема формулируется следующим

образом: надо найти такую группу локальных

калибровочных преобразований, относительно

которой был бы инвариантен лагранжиан

универсального взаимодействия. В качестве

такой группы предложено множество различных

групп, однако, какая именно из этих групп

соответствует объективным свойствам

универсального взаимодействия и содержится

ли вообще в этом множестве та группа,

которая соответствует этим свойствам, пока

остается неизвестным.

Если теперь взглянуть на калибровочный

подход с методологической точки зрения, то

нетрудно заметить, что основным до-

стоинством этого подхода является его

высокая эмпиричность, то есть способность

согласовать предсказания теории с опытом. В

то же время в этом подходе имеется

определенный неэстетический аспект. Такое

замечание, с первого взгляда, может

показаться необоснованным, если учесть

принцип локальной калибровочной

инвариантности, лежащий в основе КТКП. Ведь

из этого принципа можно получить "очень

красиво" множество эмпирически проверяемых

следствий. Подобное же "сведение"

многообразия к единству, как известно,

всегда рассматривалось в качестве одного из

важных признаков "красоты" теории. Однако

красота теории определяется гармонией не

73

только между частным и общим, но и между

математической формой теории и ее

физическим содержанием4. На философском

языке это эквивалентно гармонии между

количественным и качественным описанием

(как явлений, так и их сущности).

Полный критерий красоты теории в строгой

форме может быть сформулирован следующим

образом. С онтологической точки зрения,

теория красива, если она раскрывает

сущность множества явлений при условии

гармонического сочетания качественного и

количественного описания этой сущности. С

гносеологической точки зрения, это значит,

что теория позволяет дедуцировать из одного

теоретического закона множество эмпири-

ческих закономерностей, причем указанный

теоретический закон должен быть описан как

формально ("формализован" на искусственном

языке), так и содержательно

("интерпретирован" на естественном языке).

Другими словами, единство количественного и

качественного описания предполагает

единство формализации и интерпретации5.

Последнее означает, что: а) все

теоретические понятия, выраженные на

естественном языке, должны быть

____________________

4 См.: Гейзенберг В. Смысл и значение

красоты в точных науках //

Вопр. философии. 1979. N 12.

5 О единстве качественных и количественных

методов см.,например: Ильин В.В.

Онтологические и гносеологические функции

категорий качества и количества.

М., 1972; о единстве формализации и

интерпретации: Алексеев Б.Т. Философские

проблемы формализации знания. Л., 1982.

74

"формализованы", то есть должны быть

найдены соответствующие знаковые структуры,

адекватно выражающие количественный аспект

этих понятий (в том числе, количественные

отношения между величинами,

характеризующими эти понятия), б) все

знаковые структуры, записанные на

искусственном языке, должны быть

интерпретированы (прямо или косвенно) с

помощью теоретических понятий

("конструктов"), то есть понятий, имеющих

умозрительное происхождение и эмпирическое

значение и выражающих на естественном языке

качественный аспект соответствующих величин

(и количественных отношений, которыми

последние связаны между собой).

Указанный критерий красоты теории

является следствием обобщения как теорий

классической физики, так и СТО, ОТО и НКМ.

Нетрудно заметить, что возможны два

основных отклонения от этого критерия:

превалирование 1) интерпретации над

формализацией (вербалистический подход,

характерный для натурфилософской тенденции

в современном естествознании) или 2)

формализации над интерпретацией

(формалистический подход, типичный для

позитивистской тенденции)6.

Из сказанного ясно, что теория некрасива,

если гармония между частным и общим

достигается в ней на чисто количественной

(и, следовательно, формальной) или чисто

качественной (исключительно содержательной)

____________________

6 Это превалирование проявляется в

недооценке интерпретации (формализации) и

может доходить до полного игнорирования

интерпретации (формализации).

75

основе. Другими словами, теория некрасива,

если для нее характерен формалистический

("игра в формулы") или вербалистический

("игра в слова") подход. Следовательно,

красота теории нарушается тогда, когда на-

рушается гармония не только между общим и

частным, но и между формальной и

содержательной стороной теории (то есть

между формализацией и интерпретацией). Но

именно с такой ситуацией мы сталкиваемся в

случае квантовой теории калибровочных

полей. С одной стороны, в ней нарушается

гармония между общим и частным благодаря

тому, что процедура перенормировок по-

прежнему сохраняется в качестве

искусственной процедуры, ибо необходимость

последней не вытекает из исходных принципов

теории. С другой стороны, нарушается

гармония между содержательной

(качественной) и формальной

(количественной) стороной теории ввиду

неясности физического смысла калибровочных

эффектов (конфайнмента, механизма Хиггса и

т.п.). Остается загадкой и сам принцип

локальной калибровочной инвариантности: он

вводится, по существу, из чисто формальных

соображений, в чем же заключается то

глубокое физическое содержание, которое

скрывается за ним, остается совершенно

неясным.

Между тем, в истории теоретической физики

несоответствие тех или иных теоретических

построений принципу методологической

красоты является не менее важным стимулом

для дальнейшего развития теории, чем

несоответствие этих построений опытным

данным. Быть может, лучше всех об этом

сказал Дирак: "Теория, обладающая

76

математической красотой, имеет больше

шансов оказаться правильной, чем уродливая

теория, согласующаяся с каким-то числом"7.

Теперь нам следует подвергнуть

аналогичному анализу хроногеометрический

подход. Основными разновидностями послед-

него являются континуальный подход

(модификация пространства-времени

Минковского без нарушения аксиомы

непрерывности), квантование специальной

теории относительности (СТО), то есть

квантование "плоского" пространства-

времени, и квантование общей теории

относительности (ОТО), то есть квантование

"искривленного" пространства-времени8.

Обычно считается, что причиной стремления

к модификации хроногеометрии СТО явилась

потребность в устранении расходимостей, с

которыми был связан квантово-полевой

подход. Этим объяснялась большая

популярность хроногеометрического подхода в

30-х - 50-х годах. Той же причиной объяснят

и падение его популярности после того, как

квантово-полевой подход в своей

калибровочной форме смог устранить

____________________

7 Дирак П.А.М. Пути физики. М., 1983. С. 5.

8 См., например: Блохинцев Д.И.

Пространство и время в микромире.

М., 1982. Следует обратить внимание на

двусмысленность выражения "квантование

пространства-времени": оно может означать

как квантование "плоского", так и

"кривого" пространства-времени. А эти два

понятия имеют существенно разный смысл.

См. также: Барашенков В.С. Проблемы

субатомного пространства и времени.

М., 1979.

77

расходимость не только в теории

электромагнитных (квантовая электродинамика

- КЭД)9, но и в теории слабых и сильных

взаимодействий. Правда, когда речь заходит

об устранении расходимостей в универсальном

взаимодействии (гранд- и суперкалибровочные

теории), здесь квантово-полевой подход даже

в своей калибровочной форме по-прежнему

сталкивается с очень серьезными труд-

ностями. Тем не менее, успехи

калибровочного подхода в преодолении

расходимостей в области слабых и сильных

взаимодействий породили среди большинства

физиков уверенность в том, что потребность

в модификации хроногеометрии отпала.

Между тем, необходимость устранения

расходимостей была лишь одним из

"технических" следствий гораздо более

глубокой причины, а именно:

фундаментального противоречия между ис-

ходными принципами СТО и НКМ10.

Указанное противоречие состоит в

следующем. В основе СТО лежит предположение

о совместимости макроскопического

пространственно-временного (М) и импульсно-

энергетического (Мp) описания движения

микрообъектов. Это значит, что точная

____________________

9 Устранение расходимостей в КЭД было

осуществлено еще до возникновения

калибровочного подхода в 40-х годах

(Фейнман, Дайсон).

10 "...Более точное исследование

показало, что обе эти теории (СТО и НКМ -

В.Б.) вступают в определенном пункте в

конфликт, в результате чего и проистекают

все дальнейшие трудности" (Гейзенберг В.

Физика и философия. М., 1963. С. 132).

78

локализация частицы в точке Хm в одной из

пространственно-временных зон допускает ее

точную локализацию в "точке" Рm в

соответствующей зоне Мp (и обратно).

Поэтому псевдоевклидова структура М (т.е.

конус в координатном представлении) предпо-

лагает аналогичную структуру Мp (конус в

импульсном представлении) и обратно.

Напротив, НКМ требует их несовместимости

("дополнительности" в смысле

взаимоисключаемости). Действительно, в силу

соотношений неопределенности DpmDxm~h и

DEDt~h точная локализация частицы в

соответствующей зоне М приводит к полной

неопределенности Рm, т.е. возможности лока-

лизации частицы в любой "точке" Мp (и

обратно). Вследствие этого причинные

ограничения на движения частицы в М оказы-

ваются несовместимыми с причинными

ограничениями ее движений в Мp 11.

Естественно, что потребность в разрешении

указанного противоречия привела к идее, что

его следует искать на пути модификации

хроногеометрии СТО (то есть модификации М).

Если мы, однако, сравним различные типы

такой модификации с методологической точки

зрения, то сразу заметим, что они далеко не

равноценны.

____________________

11 Описанное противоречие с

методологической точки зрения очень

напоминает противоречие между

классической механикой (обратимость

процессов) и классической термодинамикой

(их необратимость); между классической

механикой (принцип относительности

Галилея) и классической электродинамикой

(его нарушение) и т.п.

79

Рассмотрим вначале континуальный

подход12. Модификация свойств М без

квантования основана на предположении, что

квантование движения может не повлечь за

собой квантование пространства-времени.

Действительно, дискретность движения

микрообъекта, проявляющаяся, в частности, в

квантовании его энергии, сама по себе не

требует дискретности пространства-времени

(Ср. нерелятивистскую квантовую механику).

Однако когда ставится вопрос об объяснении

этой дискретности путем модификации

хроногеометрии (изменения метрических или

топологических свойств М), тогда

естественным объяснением является переход

от непрерывного к дискретному пространству-

времени. Это не исключает возможности

формального объяснения и путей модификации

каких-то свойств М в рамках непрерывного

пространства-времени, но последняя

процедура в методологическом плане выглядит

довольно искусственной (если мы учтем, что

пространство-время есть не что иное, как

геометрическая модель всевозможных

движений). Поэтому кажется маловероятным,

чтобы в ультрамалых масштабах квантование

движения было связано с переходом от одного

типа непрерывного пространства-времени к

другому типу непрерывного же пространства-

времени.

Рассмотрим теперь квантование ОТО.

Квантование "искривленного" пространства-

времени основано на предположении, что ОТО

применима не только в мега- и макро-, но и

____________________

12 См., например: Блохинцев Д.И.

Пространство и время в микромире.

М., 1982. С. 244-256.

80

в микромире. В пользу такого расширения

границ применимости ОТО, казалось бы,

говорят два аргумента: а) гравитационные

взаимодействия между элементарными

частицами начинают играть существенную роль

на расстояниях порядка 10-33 см, б) они

играли существенную роль на ранних этапах

расширения Метагалактики, когда она имела

микроскопические размеры (теория Большого

взрыва). Оба эти аргумента, однако,

основаны на релятивистском уравнении

гравитационного поля (основном законе ОТО,

Эйнштейн 1915). Следовательно, они пытаются

доказать законность экстраполяции ОТО на

микромир, уже предполагая такую

экстраполяцию. Между тем, существуют

серьезные методологические аргументы против

законности такой экстраполяции13. В

____________________

13 "...Может оказаться, что подобная

экстраполяция (римановой геометрии и

связанных с нею гравитационных сил на

микромир - В.Б.) имеет не больше

оснований, чем распространение понятия

температуры на части тела молекулярных

размеров" (Эйнштейн А. Собр. науч.

трудов. Т. 2. М., 1966. С. 88).

"...Гравитация является чрезвычайно

слабой в атомной физике (имеется в виду

физика элементарных частиц - В.Б.),

поэтому кажется маловероятным, что она

будет играть важную роль. В силу

указанного обстоятельства нам следует

искать в другом направлении"

(Dirac P.A.M. The Future of Atomic

Physics // International Journal of

Theoretical Physics. 1984. Vol. 23, N 8.

P. 677).

81

частности, нельзя смешивать необходимость

изменения геометрии в микромире с

необходимостью "искривления" М. Поэтому и

квантование искривленного" пространства-

времени с методологической точки зрения не

представляется достаточно перспективным.

В отличие от рассмотренных вариантов

хроногеометрического подхода квантование

"плоского" пространства-времени не приводит

к тем методологическим трудностям, с

которыми столкнулись другие его варианты.

Это не значит, что квантование СТО (будем

называть его условно дистонным14 подходом)

свободно от методологических неувязок: у

него есть свои трудности. Важнейшей из них

является кажущаяся невозможность совместить

дискретность пространства-времени со

специальным принципом относительности таким

образом, чтобы при этом не нарушался

принцип соответствия теории дискретного

пространства-времени макроскопической

теории непрерывного пространства-времени.

Опишем теперь вкратце историю дистонного

подхода. В 1927-1938 гг. возникает

простейший вариант квантования М - теория

пространственно-временной решетки (Флинт,

Амбарцумян, Иваненко, Гейзенберг), в 1947-

1948 гг. появляется теория операторов

координат (Снайдер), в 1959-1960 гг. -

теория "конечного" пространства-времени

(Коиш, И.С.Шапиро), в 1961-1967 гг. -

теория "искривленного" пространства 4-

____________________

14 От словосочетания "дискретный" и

"СТО". В отличие от квантования СТО

квантование ОТО будем обозначать в

дальнейшем термином "дистонный подход"

(от словосочетания "дискретный и ОТО").

82

импульсов (Гольфанд, Кадышевский, Тамм),

наконец, в 1968-1978 гг. создается теория

пространственно-временного кода

(Д.Финкельштейн)15.

Если сравнить эту историю16 с историей

калибровочного подхода, то сразу бросается

в глаза одно различие. В случае ка-

либровочного подхода мы имели дело с явной

преемственностью теорий, на основе которой

получалось прогрессивное развитие (когда

каждая более сложная теория включает в себя

менее сложную как некоторый фрагмент или

аспект). В случае же дистонного подхода

такой преемственности не заметно и поэтому

никакого прогрессивного развития как будто

бы не происходит: речь идет просто о разных

вариантах квантования М, которые имеют мало

общего17. Однако, такое представление о

разных этапах дистонного подхода основано

на его поверхностном рассмотрении и в

действительности является иллюзией: при

более глубоком анализе и здесь

обнаруживается закономерная связь и

преемственность. А поэтому и здесь

наблюдается определенный прогресс, хотя он

____________________

15 Здесь отмечены только наиболее важные

вехи в развитии дистонного подхода.

16 Об истории дистонного подхода см.:

Вяльцев А.Н. Дискретное пространство-

время. М., 1965; Андреев Э.П.

Пространство микромира. М., 1969;

Ахундов М.Д. Проблема прерывности и

непрерывности пространства и времени.

М., 1974 и др.

17 Исключение составляют только теории

операторов координат и "кривого"

пространства 4-импульсов.

83

сильно затуманен различными побочными

факторами.

В методологическом отношении дистонный

подход является в некотором смысле прямым

антиподом калибровочного подхода: в основу

его положена чрезвычайно смелая и

революционная идея о качественном отличии

микропространства-времени от

макропространства-времени. Но красота этой

идеи оказалась как бы своеобразным

"заклятием", затрудняющим ее эмпирическую

проверку: все попытки связать различные

варианты дистонного подхода с опытом

кончились безрезультатно.

Из изложенного ясно, что самой

характерной чертой истории ТЭЧ является

борьба между подходом квантово-полевым

(наиболее совершенной формой которого

выступает калибровочный подход) и

хроногеометрическим подходом (наиболее

совершенной формой последнего оказывается

дистонный подход): первый стремится

сохранить макроскопические представления о

пространстве-времени, а второй - изменить

их.

В ходе указанной борьбы тенденция к

неограниченной экстраполяции пространства-

времени Минковского "вглубь" берет явный

верх над тенденцией к модификации этого

понятия (то есть к установлению границы его

применимости в ультрамалых масштабах). С

чисто физической точки зрения, в этом нет

ничего удивительного (и, тем более,

"драматического"), ибо область применимости

любого физического понятия может в принципе

как сужаться, так и расширяться. Однако,

дело обстоит совсем иначе, если на него

посмотреть с методологической точки зрения.

84

Обобщение истории теоретической физики

дает, по крайней мере, четыре аргумента в

пользу того, что модификация макрос-

копических пространственно-временных

представлений в микромире не только

возможна, но и необходима.

1) Изменение пространственно-временных

представлений в мегамире (ОТО). Было бы

странно и алогично, если бы увеличение

масштабов материальных объектов было бы

связано с изменением пространственно-

временных представлений, а их уменьшение -

нет. На это обратил внимание еще Риман

(1854)18. Такое поведение пространства-

времени "в малом" нельзя бы было

согласовать ни с фундаментальной

зависимостью пространства и времени от

материи, ни с не менее фундаментальной

зависимостью количественных и качественных

изменений любого типа друг от друга. Таким

образом, прецедент изменения пространства-

времени "в большом" является серьезным

аргументом в пользу его изменения "в

малом".

2) Изменение представлений о движении и

причинности в микромире (НКМ). Поскольку

между атрибутами материи существует тесная

взаимосвязь19, то не может возникнуть такая

ситуация, при которой изменение

фундаментальных характеристик одного

атрибута не затрагивает фундаментальные

____________________

18 Риман Б. Сочинения. М.;Л., 1948.

С. 291.

19 См., например: Диалектика

материального мира / Под. ред.

В.В. Ильина, Д.А. Гущина. Л., 1986. Гл. 1

и 2.

85

характеристики другого. Достаточно

вспомнить тесную связь, существующую между

пространством, временем, движением и

причинностью в макромире (описываемую СТО)

и мегамире (описываемую ОТО). Это делает

понятным настойчивые призывы Бора и

Гейзенберга к дальнейшему отказу от

традиционных наглядных представлений и

связанных с ними фундаментальных понятий,

которые были присущи классической физике и

"незаметно" проникли из нее в физические

теории ХХ века, включая СТО и НКМ.

3) Связь развитой консервативной

тенденции в истории физики с так называемой

метафорической теорией. Как уже отмечалось,

специфика метафорической теории заключается

в объяснении существенно новых явлений с

помощью старых теоретических понятий,

заимствованных из разных старых теорий. Так

как старые понятия могут быть неадекватными

для описания новых явлений, то они

используются в парадоксальных сочетаниях,

благодаря чему в такой теории возникают

"парадоксы" (особого типа противоречия).

Классическим примером метафорической теории

была эфирная теория электромагнитного поля

(Максвелл, Кельвин, Лоренц и др.), которая

пыталась "втиснуть" принципиально новый

класс явлений (электромагнитные) в

"прокрустово ложе" понятий классической

механики. При этом возникали парадоксы

(например, получалось, что эфир должен

сочетать в себе свойства жидкости и

твердого тела и т.п.). Метафорическая те-

ория отличается от действительной теории

тем, что ее понятия дают не буквальное, а

иносказательное, условное

("метафорическое") отражение сущности

86

описываемых явлений, то есть являются

своего рода научными "метафорами"20. Тем не

менее, метафорическая теория существенно

отличается от спекулятивной конструкции:

хотя ее понятия не дают адекватного от-

ражения сущности изучаемых явлений, она не

только может объяснять известные

эмпирические законы, но и предсказывать но-

вые, причем эти предсказания, вообще

говоря, могут подтверждаться экспериментом.

Как известно, господствующей

консервативной тенденцией в Х1Х веке было

стремление к "механизации" любых

немеханических явлений. Подавляющее

большинство физиков было абсолютно уверено

в правильности такой методологической уста-

новки. Всякие сомнения в этом казались

необоснованной спекуляцией, связанной с

недостаточным профессионализмом скептиков.

С позиций ХХ века становится ясно, почему

тогда физикам казалось, что сам эксперимент

свидетельствует о механической природе

любых немеханических (в том числе,

электромагнитных) явлений: они смотрели на

эти явления и на результаты эк-

спериментирования с ними через

"механические (ньютоно- лагранжевые) очки".

Другими словами, из множества возможных

интерпретаций сущности изучаемых явлений и

результатов экспериментирования над ними

они выбирали ту, которая соответствовала их

априорной методологической установке.

4) Связь развитой консервативной

тенденции с подготовкой революционной

____________________

20 О роли метафор в научном исследовании

см.: Гусев С.С. Наука и метафора.

Л., 1984.

87

ситуации в теоретическом исследовании.

История физики убедительно свидетельствует

о том, что нельзя отказываться от старых

фундаментальных понятий по поводу открытия

любых новых явлений. Первоначально надо

попытаться понять эти явления с помощью

старых понятий ("здоровый" консерватизм в

науке). Не раз такое применение старых

понятий к новым явлениям приводило к

прекрасным результатам (см., напр.,

описание тепловых явлений с помощью

механических понятий). Поэтому

периодическое появление в истории физики

метафорических теорий является не

случайным, а необходимым (и притом не

отрицательным, а положительным) процессом.

С одной стороны, метафорическая теория дает

возможность получить максимум новых

количественных закономерностей в рамках

старых качественных представлений. С другой

стороны, возникающие в ней внутренние

парадоксы являются своеобразным симптомом

того, что старые теоретические понятия по

отношению к новым явлениям исчерпали себя

(или, другими словами, что новые явления

выходят за границы применимости старых

понятий). Тем самым, указанные парадоксы

как бы сигнализируют исследователю, что

наступает пора построения новых фун-

даментальных понятий. Следовательно, не

только во всемирной истории, но и в истории

науки "сова Минервы начинает свой полет

только с наступлением сумерек" (Гегель).

Это значит, что действительная потребность

в новой фундаментальной теории появляется

88

лишь тогда, когда оказываются исчерпанными

возможности старой теории21.

Таким образом, подлинный смысл и

практическое значение метафорической теории

заключается не в том, что она раскрывает

действительную сущность новых явлений, а в

том, что она подготавливает информационные

и методические условия для раскрытия этой

сущности. Метафорическая теория есть,

следовательно, не копия качественной

стороны изучаемых явлений, а особый

вспомогательный инструмент для построения

такой копии. В этом отношении она играет в

истории науки большую эвристическую роль.

Отсюда ясно, что метафоризм как методоло-

гическая опасность, поджидающая теоретика

____________________

21 Следует отметить, что эти возможности,

как правило, никогда не бывают

исчерпанными на 100 процентов, поэтому в

канун научной революции старая теория

находится именно в состоянии "сумерек", а

не полного "мрака". "Сумеречное"

состояние теории обычно выражается в

разного рода внутренних противоречиях.

Одним из наиболее существенных является

нарушение гармонии между формой теории и

ее содержанием. Последнее проявляется,

как уже отмечалось, или в доминировании

формализации над интерпретацией

(необычное усложнение формализма теории

без ясной интерпретации -

формалистическая тенденция) или

интерпретации над формализацией

(доминирование чисто качественных

рассуждений при отсутствии математической

формулировки - вербалистическая

тенденция).

89