Типы и принципы логики

Тем не менее, Эйнштейн не только создал ОТО  в предположении локальности  гравитации, но и сразу выдвинул программу ее обобщения в единую теорию поля на основе, опять-таки, принципа близкодействия, свойственного всем другим силовым полям. Он полагал, что после создания электродинамики уже нельзя "верить в непосредственное мгновенное действие на расстоянии даже в области тяготения", что СТО "исключила возможность существования сил дальнодействия", и сознательно стремился "включить гравитацию в фарадеевскую концепцию поля". В известной книге Эйнштейна и Инфельда "Эволюция физики" сказано, в частности: "Ньютонов закон тяготения связывает движение тела здесь и теперь с действием другого тела в то же самое время на далеком расстоянии. Этот закон стал образцом для всего механистического мировоззрения (вряд ли это верно, т. к. сам Ньютон затруднялся вписать его в собственное мировоззрение. – В.С.). Но механистическое мировоззрение потерпело крах. В уравнениях Максвелла мы создали новый образец для законов природы. Уравнения Максвелла суть структурные законы. Они связывают события, которые происходят здесь и теперь, с событиями, которые происходят немного позднее и в непосредственном соседстве… наши новые гравитационные уравнения суть также структурные законы, описывающие изменение поля тяготения".

Здесь квантовая теория как бы отомстила  Эйнштейну за недоверие к ней  и за то, что он навязал ей постулат ограниченности скоростей всякого взаимодействия, – отомстила тем, что сделала его теорию гравитации заложницей идеи квантования энергии. Всякое близкодействующее поле переносит энергию, а энергия, согласно постулату М. Планка, квантуется. Поэтому из локальности тяготения следует, что гравитационное поле должно иметь свои волны и особые кванты, т. н. гравитоны. Этот непреложный вывод и был сделан последователями Эйнштейна в науке. Сама ОТО не квантовая теория, и в этом смысле не предполагает обязательно близкодействия.  Она ничего не знает о гравитонах, но допускает волны гравитации, возникающие при переменно-ускоренном движении тяготеющих масс. Такие волны образуются, напр., при вращении Солнца, и влияют на орбиты планет, вызывая смещение их перигелия. Но нет оснований отождествлять эти волны с агентами, передающими саму силу тяготения: ведь одно дело – колебать бечеву, а другое – ее натягивать. Мощность этого гравитационного излучения совершенно ничтожна, оно примерно в 10²⁴ раз слабее электромагнитного. По подсчетам В.А. Фока, для Солнца данная мощность составляет всего 450 вт (яркая бытовая лампочка), а для всей Солнечной системы – около 1 квт (средний бытовой нагреватель). Как заключает тот же автор, "в задаче о гравитационном взаимодействии масс гравитационные волны никакой роли не играют". Если гравитоны – кванты этого излучения, то не они нас тут интересуют.

Сам Эйнштейн бесплодно потратил на построение общей теории поля последние 30 лет  своей жизни, оправдываясь в шутку  тем, что "открыл 99 путей, которые не годятся". Кванты и волны гравитации до сих пор не обнаружены, хотя поиски ведутся уже около полувека и на них затрачены (и продолжают затрачиваться) громадные средства. Сейчас в США создается грандиозная система LIGO (Laser interferometr gravitationalwave observatory). Она состоит из двух далеко разнесенных "антенн" (вакуумных трубок) длиной 4 км каждая, и в ней можно будет заметить смещения зеркал под действием приходящей гравитационной волны на 10^–16 см и меньшие; однако надежность ее оценивается всего в 50%, т. к. предполагаемый гравитационный сигнал весьма слаб. Квантовая теория гравитации также пока не построена, хотя программы ее построения существуют уже много десятилетий. Тем не менее, все современные попытки объединения фундаментальных сил природы основаны на принципе близкодействия, и в этом смысле идут вслед за Эйнштейном.

Всего известно около двух десятков таких  попыток. Первыми были теории Г. Вейля, Т. Калуза и самого Эйнштейна, построенные  еще до открытия сильного и слабого взаимодействия. Сегодня в этой области можно выделить три взаимосвязанных подхода: теории супергравитации, теории суперсимметрии и теории суперструн. Модели супергравитации используют идеи многомерного пространства (обычно пяти измерений), высказанные Калуза. Концепцию суперсимметрии предложили в 1971 г. отечественные теоретики Гельфанд и Лихтман. Она предполагает, кроме обычных размерностей пространства и времени, еще некие суперразмерности, которые можно измерить в т. н. числах Грассмана. Но за прошедший период наука не приблизилась к обоснованию данной теории и прояснению ее странностей (напр., в ней оказываются равны произведения некоторой величины на положительное и отрицательное значение другой величины). В теории суперсимметрии каждой частице отвечает партнер с другой квантовой статистикой (см. ниже), напр., фотону со спином 1 отвечает фотино со спином 1/2. Масса частиц-партнеров, по-видимому, не меньше 100-1000 ГэВ, но эти частицы тоже пока не обнаружены.

Во  многом перекликается с концепцией суперсимметрии т. н. теория суперструн, сложившаяся примерно в те же годы. Это ведущее сейчас направление общей теории поля. В ней микрочастицы рассматривают не как точечные объекты (так их рассматривает квантовая механика), а как колебания одномерных объектов – т. н. струн (англ. strings). "Струны" имеют характерные размеры порядка 10^–33 см., могут существовать в виде отрезков или колечек. Их рассматривают не в обычном пространстве, а в пространствах с 10-ю или 11-ю измерениями. Название "суперструны" употребляют, чтобы не было путаницы с космическими струнами, и чтобы подчеркнуть использование идей суперсимметрии. Ведущим специалистом по этой теории сегодня считается Х. Мальдасена из США. На конференции Стрингз-98 в Санта-Барбаре он предложил как полагают, новые перспективные подходы. Но и здесь окончательный результат пока не достигнут. Сами авторы претендуют на понимание лишь некоторых предельных случаев и говорят о намеках на более общую теорию, которую называют М-теорией.

Существует  также ряд моделей Великого объединения: это теории, объединяющие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий. Они опираются на вывод, что при высоких энергиях и на очень малых расстояниях сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются, как выражаются физики, общей константой, проще говоря – уравниваются по силе. Но эти теории предсказывают нестабильность протона и существование магнитных монополей, т. е. носителей одного из магнитных полюсов без другого. Это противоречит наличному опыту и пока не нашло подтверждений в специальных экспериментах. Реальные достижения в области общей теории поля сегодня сводятся к единой теории электрослабого (электромагнитного и слабого) взаимодействия. Ее создали независимо друг от друга в 70-х гг. ХХ в. А. Салам, С. Вайнберг и Ш. Глэшоу.

Однако  не все специалисты увлечены идеей  объединения сил на основе квантового подхода. Еще в 60-е гг. М.Ф. Широков  отмечал, что поля сил тяготения  и инерции существенно отличаются от полей электромагнитных и ядерных  сил как раз тем, что не обладают массой, энергией и импульсом. Это чисто геометрические поля, которые являются формой существования материи, как и само пространство-время. Отсюда он делает логичный вывод: "…представляется необоснованным формальное применение к ним рецептов квантования… Эти рецепты приводят к выводу о существовании особых частиц – гравитонов, обладающих массой, энергией и импульсом… ". Фактические основания этого вывода, по сути, указаны Эйнштейном, однако от самого вывода Эйнштейн уклонился, а Широков, можно сказать, вскрыл логическую противоречивость его доктрины. Оригинальный физик из Москвы А.В. Рыков в статье "Реабилитация Вселенной" (опубликована в сети Интернет в сентябре 1999 г.) утверждает, что гравитация – сила электрического происхождения, однако такая, которая распространяется не поперечными, а продольными волнами. Причем из-за центрального характера этой силы гасится демпфирующий эффект магнитной составляющей, в результате чего скорость распространения силы тяготения становится практически бесконечной (в сравнении с радиусом Вселенной). Прав ли он, судить специалистам, для нас же это еще одно свидетельство осознания поднятой проблемы.

Если  допустить, что поле тяготения (основное, а не производное от осцилляции тел) не квантуется, тогда оно – не близкодействующее, не распространяется в пространстве со временем, и не обязано подчиняться выводу Эйнштейна о предельности скорости света. Сила тяготения предстает в этом случае не как динамическая, а как статическая сила, которая (в отличие от электромагнитных волн) не существует отдельно от своего источника и не распространяется ни с какой скоростью (но волны гравитации от переменно-ускоренного движения масс действительно существуют отдельно от источника и распространяются с конечной скоростью). Тяготение – это "прогиб" пространства, который перемещается только вместе с движением данного тела; это "гравитационная линза" данного тела (в геологическом смысле понятия "линза"), охватывающая в той или иной степени весь объем Вселенной. Следовательно, оно неотрывно от инерционной массы тела; и тогда действительно существует не две разных массы, а только одна – она же инерционная масса и масса гравитационная.

Против  дальнодействия гравитации выдвигают  иногда такой тезис: нелепо полагать, будто каждое движение руки человека на Земле моментально сказывается на далеких звездах. На квантовом уровне это, как мы знаем, не так уж нелепо; однако данное возражение несостоятельно уже в свете классической механики. Согласно закону сохранения импульса, как бы мы ни махали руками, состояние центра тяжести взаимосвязанной системы тяготеющих тел и ее гравитационное воздействие на окружающий мир остаются абсолютно неизменными. Точно так же движение планет по орбитам сказывается только на состоянии Солнца и других планет, но никак не сказывается на далеких звездах. В этом смысле гравитация и впрямь "локальна".

Еще Эпикур, с его гениальной физической интуицией, трактовал гравитацию как  особую силу, причастную к "центру диакосмоса", т. е. к истокам всеобщего мирового порядка. Если признать дальнодействие тяготения, оно и предстает как именно та сила, которая отражает изначальное единство материального мира, а потому обязательно возникает вместе с выделением его частей. Это соответствует также современному здравому смыслу и современным представлениям науки о совместном рождении гравитации и вещества. С точки зрения диалектики, тяготение представляет сущностное родство всех элементов мироздания, возникших путем деления из общей для них субстанции (физического вакуума). А с точки зрения синергетики, дальнодействие гравитации есть одно из проявлений нелокальной связи, типичной для процессов самоорганизации. Поэтому сила тяготения, и только она, является абсолютно всеобщей (в пределах вещественной реальности), всепроникающей и не зависящей ни от каких качественных характеристик вещества.

Таким образом, гравитация – не рядовое  локальное поле, а миросозидающая сила, посредством которой из физического  вакуума возникает вся чувственно воспринимаемая реальность. Не случайно это единственная сила, присущая всем формам бытия материи. Она не накладывается на некую независимую от нее или условную метрику, а действительно создает метрику мироздания; сила гравитации не переносится в пространстве со временем, а учреждает структуру пространства и времени. Хвала Эйнштейну, что он сделал эти гениальные выводы еще до того, как были разработаны представления о физическом вакууме и задолго до появления синергетики; не его вина, что состояние науки ограничило его возможности в решении иных проблем теории поля. Он шел на единственный свет, который был виден в его эпоху, – на свет теории локального поля по Максвеллу.

Из  признания неквантовой природы  тяготения не следует, что общая  теория поля в принципе невозможна. Естественно предположить, что в неразвитых формах бытия, на первом (еще до оформления элементарных частиц) этапе становления вещественной реальности, дискретные и континуальные, квантовые и неквантовые начала и разные типы полей сливаются в первобытном синкретизме. На это прямо указывают современные представления об эволюции материи. На это исходное единство и должна опереться соответствующая теория. Чтобы обнаружить его, требуются сверхмощные источники энергии. Такой источник, сверхпроводящий Суперколлайдер (СКК), сооружается в Стэнфорде, однако на сегодня его строительство заморожено из-за недостатка средств.

Но, на наш взгляд, успех такого эксперимента еще не докажет, что поле гравитации в его зрелом виде является квантовым, близкодействующим полем. С точки  зрения диалектики, наличие общего корня сил и фиксация его в теории как предпосылки любой из сил природы, действующих в развитом мире, не исключает, а предполагает признание существенной особенности каждой из этих сил, их взаимной несводимости друг к другу и нередуцируемости каждой из них к исходному состоянию. Поэтому всеобщая теория поля возможна только в смысле обнаружения общих исторических корней всех сил природы, но не в смысле из математической редукции к какой-то общей формуле. Быть может, именно попытки представить гравитацию как близкодействующее квантовое поле мешают построению общей теорий поля, насколько она действительно может иметь место.

Естественно, мы можем предлагать свои выводы только в качестве философской гипотезы. Большинство авторитетов физики и космологии (напр., С. Хокинг и акад. В.Л. Гинзбург) еще верят в квантовую теорию гравитации. Не так давно было получено, как считается, решающее подтверждение волнового характера гравитации путем исследования движения двойных звезд (пульсаров), на взаимодействии которых должна сказываться конечность скорости распространения тяготения (Нобелевская премия по физике 1993 г.). Заметим, однако, что это пока единственная серьезная эмпирическая опора для таких заключений. Надо полагать, что отказ от старой веры чреват возникновением новых серьезных проблем, решать которые придется самим физикам. Тем не менее, сомнения в ней уже назрели, а их разрешение стоит на первом плане среди методологических вопросов современной космологии и современной теории поля.

В классической физике понятия частиц и сил были четко разделены, а в современной физике – тесно взаимосвязаны. Она рассматривает взаимодействие как, в конечном счете, обмен некоторыми частицами, и каждому виду сил природы приписывает собственную частицу-носитель. Поэтому и мы не можем оторвать рассмотрение отношений между силами природы от рассмотрения элементарных частиц и отношений между ними. Эти вопросы будут рассмотрены в следующих разделах данной лекции. 
 

2. "ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ" ЧАСТИЦЫ И  ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА 

В начале и середине XIX в. считалось, что первочастицами вещества являются атомы химических элементов, ограниченные в их численности и дальше неразложимые. В конце этого и начале следующего столетия была доказана разложимость атомов и открыты первые элементарные частицы: электрон (Дж.Дж. Томсон, 1897 г.), фотон – квант электромагнитного излучения (Эйнштейн, 1905 г.; термин введен Г.Н. Льюисом в 1929 г.), протон (Э. Резерфорд, 1919 г.). Но по-настоящему развитие теории элементарных частиц началось с открытия нейтрона. Оно предсказано Резерфордом в 1921 г., а совершено Дж. Чедвиком в 1932 г.