Картина мира в современной науке

11.1. Важнейшие идеи современной космологии. Космологией называется раздел физики, изучающий происхождение и строение Вселенной как целого. Эмпирическим основанием космологии является внегалактическая астрономия. Ее теоретический фундамент составляют основные физические теории, среди которых особую роль играет теория тяготения. Первая научная космология построена И. Ньютоном на основе открытого им закона всемирного тяготения. Вслед за Дж. Бруно, Г. Галилеем и другими предшественниками, И. Ньютон считал, что Вселенная бесконечна, вечна и находится в стационарном (т. е. устойчивом, относительно неизменном) состоянии. Идея бесконечности Вселенной подкреплялась у него тем соображением, что иначе под действием гравитации все вещество слилось бы в единую массу.

Но Э. Галлей сразу заметил, что в такой Вселенной сила гравитации должна быть в каждой точке бесконечной. Сознавал данную проблему и сам Ньютон. В дальнейшем этот вывод был подтвержден и получил название гравитационного парадокса, или парадокса Зеелигера. Некоторые современные авторы считают, что в свете новой науки такого парадокса не возникает, но при этом указывают, что во Вселенной Ньютона сила гравитации в каждой точке должна быть неопределенной. В 1744 г. швейцарский астроном Ж. Широ сформулировал т. н. фотометрический парадокс: во Вселенной Ньютона свечение неба должно быть равномерным, чего фактически не наблюдается. Позднее его стали называть парадоксом Ольберса.

Идею преодоления таких парадоксов на почве классической механики выдвинул еще в XVIII в. известный философ И. Кант. Он предложил “островную” теорию строения космоса, которую поддержали и развили И. Ламберт и У. Гершель. Сформировалось представление о Вселенной как о бесконечной иерархии систем, подобных солнечной планетарной системе. Тогда на удалении от центра плотность вещества стремилась к нулю, и упомянутые парадоксы действительно исчезали. Однако со временем выяснилось, что фактическая плотность вещества во Вселенной и величина сил гравитации в ней недостаточны для построения иерархических систем, превышающих скопление галактик: более крупные системы такого рода неминуемо должны рассеяться. Кроме того (как верно заметил А. Эйнштейн), такая модель несостоятельна в философском отношении, т. к. предполагает абсолютный центр Вселенной.

Современная космология называется релятивистской (от лат. relativus – относительный), т. к. в ней большую роль играют обе теории относительности А. Эйнштейна – специальная и, особенно, общая. В релятивистской космологии преодолеваются парадоксы старой космологии. Но под Вселенной в ней понимается уже не весь универсум, а только совокупность тел, производных от определенной субстанции – физического вакуума, природа и свойства которого рассмотрены в предыдущих лекциях. По современным представлениям, наша Вселенная существует "всего" около 13–15 млрд. лет и имеет ограниченный объем (хотя теоретически возможны и модели с бесконечным пространством и временем).

Из конечности объема Вселенной не следует, что она где-то имеет границы, препятствующие движению. Топологически Вселенная замкнута на себя, подобно поверхности шара. Но если из любой ее точки протянуть радиусы в пространство, то площадь сферы, замыкающей концы этих радиусов, сначала будет увеличиваться, а с некоторого момента начнет уменьшаться, пока они не "уткнутся" в ту же точку, из которой вышли. Радиус Вселенной определяется формулой R² = 1,08 10²⁷ / ρ см, где ρ – средняя плотность вещества во Вселенной. Т. к. эта плотность пока точно неизвестна, неизвестен и точный объем Вселенной. Известен только приблизительный размер Метагалактики – доступной наблюдению части Вселенной: около 10²² км. Видимо, это больше половины пространства Вселенной. В этой области находится несколько миллиардов галактик, подобных нашей галактике Млечного пути.

Нет оснований считать, что наш физический вакуум – какая-то абсолютная первоматерия. Поэтому современная космология допускает, что кроме нашей Вселенной, могут существовать иные миры (видимо, бесконечно многие), в основе которых лежат субстанции с другими свойствами и параметрами. Заметим, что идея эта не нова. Еще Демокрит говорил о бесконечном множестве миров, "каждое со своими небесами", и к той же концепции приближался Дж. Бруно. Советский физик М.А. Марков предложил т. н. гипотезу фридмонов (от имени А.А. Фридмана, см. ниже), согласно которой любая физическая вселенная в пространстве другой вселенной может иметь масштаб элементарной частицы. Теоретически установлено, что гравитационный дефект массы пространственно замкнутых "Вселенных" равен всей массе этих "Вселенных". Это означает, что хотя во "Вселенной" содержатся миллиарды миллиардов тонн вещества, ее масса как целого равна нулю. Сегодня наличие множества Вселенных теоретически доказывает, напр., видный отечественный космолог А.Д. Линде. Возможно, что Вселенные различной природы взаимодействуют между собой, напр., через т. н. черные дыры, о которых подробнее сказано в следующей теме.

Современная теория возникновения и развития Вселенной основана на космологических уравнениях ОТО, сформулированных Эйнштейном. Но их решения зависят от средней плотности вещества во Вселенной, которую пока не удается установить. В результате, появилось около 20 различных космологических моделей или сценариев, которые можно разделить на три типа. Одни из них считают, что Вселенная будет вечно находиться в приблизительно одинаковом состоянии, возможно, колеблясь (осциллируя) в известных пределах (теории стационарной Вселенной), другие – что она должна беспредельно расширяться, третьи считают, что Вселенной предстоит радикальное сжатие. Выбор зависит от того, достигает ли современная плотность вещества некоторой критической величины (около 10^–29 г/см³), или находится, соответственно, ниже либо выше этой величины. Сам Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, но ему пришлось искусственно ввести в свои уравнения т. н. лямбда-член, отражающий неизвестную силу отталкивания, которая возрастала бы с расстоянием между телами, чтобы скомпенсировать силу тяготения. В конце 20-х гг. А. Эддингтон показал, что Вселенная Эйнштейна неустойчива к случайным нарушениям равновесия.

По современным данным, средняя плотность вещества составляет около 3·10^–31 г/см³, т. е. ниже критической, в силу чего Вселенная должна расширяться. Возможно, что этот результат не окончателен, ибо в мире есть немало т. н. темной материи, влияние которой трудно учесть. Тем не менее, теории расширяющейся Вселенной получили приоритет, в силу иных соображений и наблюдений. В 1922 г. отечественный математик А.А. Фридман показал, что более естественно признать зависимость радиуса Вселенной от времени, и что космологические уравнения допускают в начале развития Вселенной т. н. сингулярность (от лат. singularis – отдельный, особый): практически точечное состояние сверхвысокой (в принципе – бесконечной) плотности вещества. Тем самым предполагалось и расширение Вселенной в процессе ее формирования. С точки зрения диалектики, расширение Вселенной – проявление дифференциации, присущей всякому процессу прогрессивного развития.

Еще в 1912 г. американский астроном В. Слайфер заметил космический доплер-эффект: смещение спектральных линий галактик в направлении длинноволновой (красной) части спектра. Так должно быть, если галактики удаляются от нас, в результате чего световые волны между ними "растягиваются" (хотя возможны и другие интерпретации красного смещения). В 1929 г. другой американский астроном, Эдвин Хаббл, установил, что красные смещения спектров галактик растут в среднем пропорционально их удалению от нас, как будто все они разлетаются из точки нашего местонахождения. Среднее значение постоянной Хаббла H определяется величиной 75 км/(с Мпк), но колеблется приблизительно от 50 до 100 км/(сМпк). Обратная величина 1/H имеет размерность времени и позволяет определить возраст Вселенной в пределах 10–20 млрд лет.

Опираясь на эти наблюдения, Дж. Гамов в 1846–1848 гг. выдвинул гипотезу “горячей Вселенной”. Согласно ей, с момента появления Вселенная расширялась, и ее расширение продолжается поныне. При этом на ранних этапах расширения вещество и излучение имели большую плотность и высокую температуру. Исходя из этой гипотезы, в 1953 г. Гамов предсказал т. н. реликтовое излучение а в 1964 г. американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон эмпирически доказали его существование. Это излучение представляет собой огромное множество фотонов с одинаковой энергией, равномерно заполняющих Вселенную, и создает неустранимые радиопомехи на волне 7,35 см независимо от ориентации антенны. Сейчас реликтовое излучение имеет весьма низкую температуру (около 2,7 К), но объяснить его можно только предположив, что когда-то Вселенная имела маленький объем и была очень “горячей”, а затем "остыла" в процессе расширения. Энергичное развитие космологии началось только после этого открытия

В 2000 г. появились даже представления, что расширение Вселенной непрестанно ускоряется. В связи с этим говорят о наличии в ней антигравитационных сил. Их связывают с космологической постоянной Эйнштейна и пытаются объяснить как проявление энергии вакуума. Кроме того, были обнаружены микрофлуктуации температуры реликтового излучения и тонкие завихрения в нем. В результате был сделан вывод о плоской и бесконечно расширяющейся Вселенной. Эти результаты можно назвать сенсационными, однако необходим их дальнейший тщательный анализ и проверка временем.

Итак, сегодня практически общепризнанно, что Вселенная в прошлом была "горячей", имела малый объем и в процессе своей эволюции расширяется. Но остается еще вопрос о начале и путях ее расширения. Его мы рассмотрим в следующем пункте лекции.

Еще в 1927 г. бельгийский астроном Г. Леметр предложил т. н. гипотезу Большого взрыва, а Дж. Гамов в 50-х гг. принял ее как версию своей теории горячей Вселенной. Согласно этой гипотезе, расширение Вселенной началось благодаря взрыву т. н. сингулярности, при котором вещество приобрело колоссальные скорости, а сейчас это расширение продолжается по инерции. В 1970 г. Ст. Хокинг и Р. Пенроуз пришли к выводу, что неограниченное продолжение геодезических линий в пространстве в определенных условиях невозможно. Этот математический результат был истолкован в пользу существования сингулярности и Большого взрыва, и именно на 70-е гг. приходится пик популярности данной гипотезы. Однако в дальнейшем работы ряда отечественных и зарубежных специалистов показали, что полное сжатие пространства по всем трем направлениям невозможно. По одному из них оно непременно сменяется расширением, а с приближением к сингулярности должен наблюдаться т. н. отскок – общая смена сжатия расширением.

Физически гипотеза Большого взрыва также представляется во многом странной. Ни в каком ином случае наука не сталкивается с единичными сингулярностями и единичными процессами: все явления в природе носят множественный характер, что вытекает из диалектического закона единства и борьбы противоположностей. Далее: в состоянии сингулярности должно прекращаться действие всех физических законов (в т. ч., законов ОТО), в силу чего нельзя научно объяснить процесс порождения Вселенной. Непонятно также, почему скорость “разлетания” галактик пропорциональна их удалению от нас, как будто мы находимся в точке Большого взрыва. Неясно и само это возрастание скоростей: при взрыве и дальнейшем движении “осколков” по инерции так не бывает. Еще сложнее объяснить при таком подходе открытое в 2000 г. ускорение разлетания Вселенной.

Сама идея взрыва и разлетания осколков в пространстве вызывает ряд существенных проблем. Где, в каком месте происходит этот взрыв, куда разлетаются галактики?.. Ведь для них, с т. зр. ОТО, не существует никакого внешнего пространства, а до начала развития Вселенной вообще нет пространства для движения вещества. Судя по смещению спектральных линий, самые далекие из видимых галактик должны “улетать” друг от друга с относительными скоростями более 150000 км/с. Относительные скорости еще более удаленных, невидимых галактик должны бы приближаться к световой. А квазары (небольшие космические объекты, с мощным излучением в радиоволновом диапазоне) должны бы (судя по доплер-эффекту) удаляться от нас в 2,5 – 2,8 раз быстрее света, а их относительные скорости могут достигать почти 25 скоростей света! Если все эти массивные образования движутся в пространстве как “осколки” сингулярности, то их громадную кинетическую энергию ничем нельзя объяснить, а движение быстрее света вообще физически бессмысленно. Случай с квазарами пытались объяснить замедлением света в их сверхмощном поле тяготения, однако эта идея не оправдалась. Кроме того, гипотеза Большого взрыва не может объяснить само существование квазаров и крупномасштабное скручивание галактик.

Первый квазар был открыт еще в 1963 г., а как раз в 70-е гг. XX в. началась т. н. вторая революция в астрономии. Развитие радиотелескопов, рентгеновских и гамма-приборов превратило астрономию из оптической во всеволновую, а затем появились электронные детекторы, чувствительность которых почти на два порядка превышает лучшие фотопластины. Глубина и детальность исследования Вселенной неизмеримо возросли, были открыты и изучены многие тысячи новых галактик. Новая астрономия обнаружила, что в больших масштабах наша Вселенная выглядит весьма однородной. В целом она имеет как бы пористую структуру и напоминает кусок пемзы, пронизанный пустотами, а в срезе похожа на пчелиные соты. Нетрудно видеть сходство этой структуры с ячейками Бенара – одним из типичных примеров самоорганизации. Как и ячейки сот, ячейки (домены) Вселенной близки в плане к правильному шестиграннику; и как в сотах, вещество в них сосредоточено по краям, тогда как середина практически пуста. Масштаб этих доменов порядка сотен и тысяч парсек. Среди них есть т. н. черные области – быстро растущие домены, в которых еще нет галактик, и только у границ расширения возникает молекулярный водород. Все это гипотеза Большого взрыва может объяснить лишь искусственно и с натяжками, подобно тому, как геоцентрическая астрономия Птолемея объясняла видимые эволюции планет.

Но развитие космологии не остановилось на этой гипотезе. В 1980 г. А. Гут предложил “инфляционную” (от лат. inflatio – вздутие) модель развития Вселенной на его раннем этапе. Аналогичные взгляды развивал в 1983 г. А.Д. Линде. Согласно им, расширение вещества в первый момент (около 10^–30 с) идет несравненно быстрее (в 10⁵⁰ раз), чем предсказывала прежняя теория. Граница пространства движется в этот момент даже быстрее света, но тут нет противоречия с постулатами Эйнштейна. Дело в том, что это не движение вещества в пространстве и не передача в нем причинного взаимодействия между его частями. В этот момент само пространство быстро расширяется вместе с возникающим в нем веществом. Спустя немногие годы спутниковые эксперименты показали правильность данной теории. Сегодня она получила общее признание; однако, сама по себе она еще не решает вопрос о происхождении Вселенной.

Через несколько лет уже сам С. Хокинг, отказавшись от теории Большого взрыва, предложил новую общую космологическую гипотезу, – т. н. теорию инфляционной Вселенной. Согласно ей, наш мир возник и продолжает расширяться не благодаря единственному взрыву уникальной сингулярности, а путем “вздувания” многочисленных “пузырей” вакуума, – т. н. пены вакуума. Эти “пузыри” представляют собой весьма кратковременные (порядка 10^–15с), но мощные нулевые флуктуации силовых полей в вакууме, который в этот момент находится в т. н. ложном состоянии. В целом эволюция Вселенной, согласно этой теории, напоминает процесс образования гирлянд и гроздей пузырьков пара внутри объема жидкости при кипении воды в заполненном закрытом сосуде. Допускает инфляционная теория и существование первого “пузырька”, появление которого инициировало весь дальнейший процесс, как первый пузырек пара вызывает кипение перегретой жидкости по всему ее объему. Но такой космический "пузырек" не имеет ничего общего с мистической “сингулярностью”.

Ряд проблем старой космологии снимается в этой теории признанием того, что не галактики разлетаются в непонятно какое пространство, а между ними создается новое пространство. Тогда понятны и ускоренное разбегание галактик, и наше положение как бы в центре Вселенной, и невероятные скорости удаления некоторых объектов. Появление нового пространства допустимо и в теории Большого взрыва; но по ее логике, при этом все тела должны пропорционально расширяться, чего в реальности не наблюдается. А инфляционная теория естественно объясняет расширение пространства возникновением новых доменов пространства из “пузырей вакуума”. Понятно, что эти домены не могут возникать со строго одинаковой интенсивностью во всех направлениях от наблюдателя. Тем самым выясняется причина отличия скоростей “разлетания” отдельных галактик от средней скорости, определяемой по закону Хаббла, более или менее точному только для скоплений галактик. Гипотеза Большого взрыва объяснить этого не могла, приходилось делать дополнительные предположения.

Обе рассматриваемые космологические концепции являются вариантами теории горячей Вселенной. Описание физической эволюции Вселенной в них различается только для первой неуловимо крошечной (~ 10^–30с) стадии формирования мира. Можно сказать, что инфляционная теория относится к теории Большого взрыва так же, как релятивистская и квантовая физика относятся к классической физике, т. е. – вбирает ее в себя, при внешне микроскопических, но принципиальных поправках (в методологии такое отношение известно как принцип соответствия Н. Бора). Именно эти поправки позволяют инфляционной теории естественным образом объяснять новые данные астрономии, а также убедительней предсказывать будущее. Старая гипотеза предсказывает неминуемую гибель Вселенной либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате катастрофического сжатия (т. н. страшный треск). А с т. зр. инфляционной модели, Вселенная может многократно переживать творческие состояния “повторной неустойчивости”.

На это обращал внимание, в частности, лидер синергетики Р. Пригожин. Он же отмечал, что без трактовки эволюции Вселенной как самоорганизации неравновесного вакуума нельзя объяснить, напр., преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной. И с полным основанием можно сказать, что новая космологическая концепция – это синергетическая теория происхождения Вселенной. Развитие Вселенной предстает в ней не как нечто основанное на единичном "чуде", а как нормальный процесс самоорганизации неравновесной среды по общим законам физики. Гипотеза Большого взрыва – продукт старой оптической и фотографической астрономии, типичный идейный конструкт эпохи неклассического естествознания. Теория инфляционной Вселенной – продукт современной всеволновой и электронной астрономии, одна из важных составных частей постнеклассической научной картины мира.

Как и в случае с эффектом ЭПР (который задолго до его “официального” признания применялся в расчетах под псевдонимом “обменное взаимодействие”), синергетический подход фактически давно используется в решении задач космологии. Еще в 1966 г. А.Д. Сахаров, построил космологическую модель исходя, фактически, из данной концепции. Но к идейному признанию такого подхода наука приблизилась только сегодня. Конечно, в науке еще действуют сторонники гипотезы Большого взрыва в ее традиционном облике. Принципиального решения физики ждут от исследований недавно открытого (в 1985 г.) тяжелого нейтрино, – т. н. 17–кэВ нейтрино, которое составляет около 3% всех электронных нейтрино. Если окажется, что время его жизни достаточно велико (> 10¹² с), теория Большого взрыва утратит право на существование, а если нет – конкуренция может продолжиться. Масса нейтрино активно исследуется, и недавно здесь получены новые интересные результаты, однако указанная проблема пока не решена.

Как раз благодаря своей проблемности, эта гипотеза Большого взрыва хорошо вписывается в неклассическую идеологию: ведь если что-то не объясняется естественными и объективными причинами, то тем самым расширяется место для мистики и субъективизма. Сторонники религии видят в Большом взрыве чудесный одноразовый акт сверхъестественного творения мира, напоминающий библейское писание. Субъективисты, в свою очередь, могут трактовать сингулярность и ее “взрыв” как простые условности, а сами неясности этой теории используют как “доказательство” того, что наше знание о Вселенной не может, якобы, пойти дальше удобных фикций. Все эти прекрасные возможности мифотворчества исчезают с переходом к синергетической трактовке эволюции Вселенной. Но даже сама гипотеза Большого взрыва при трезвом подходе может быть истолкована без обращения к сверхъестественному, на что указал еще в 1858 г. сам ее "родитель" Г. Леметр, – хотя он был высокопоставленным священником и президентом Ватиканской академии наук.

Тут мы сталкиваемся с любопытным явлением, опять-таки, идеологического характера. Дело в том, что выражение "Большой взрыв" – это неудачный перевод. Слово "взрыв" по-английски звучало бы explosion или (out)burst, а в оригинале мы имеем словосочетание Big Bang. Оно буквально означает "сильный хлопок, сильный стук" (точно так же "прозваны" всемирно известные часы с громким боем на башне Вестминстерского аббатства в Лондоне). Космологи привыкли относиться к этому словосочетанию, как к условно-образному обозначению быстрого расширения Вселенной. А собственно "Большой взрыв сингулярности" никогда не имел буквальной физико-математической интерпретации. Понятие сингулярности тоже никогда не имело полноценного научного статуса. Его нет ни в одной отечественной энциклопедии, а словари русского языка отсылают к научно-популярной литературе 70-х гг., когда гипотеза Большого взрыва переживала свой звездный час.

Как видим, развитие науки не обходится без казусов, особенно – в условиях давления на нее со стороны антинаучной идеологии. Приведем еще один пример такого рода. Некто В.Д. Плыкин Виктор Дмитриевич, д-р т. н., в те же романтические 70-е переоткрыл для себя автоволны и ячейки Бенара. Дальнейшие размышления логично привели его к осознанию "сотовой" структуры Вселенной и к критике гипотезы Большого взрыва. Феноменально, что еще в 1996 г., пропагандируя свои "открытия", он ничего не знал о синергетике и не подозревал, что крупномасштабная структура Вселенной давно описывается в школьных учебниках астрономии. "Открытия" Плыкина потрясли его душу и привели его к вере в бога – как, якобы, распорядителя вселенской "информации".

Адепты неклассической и и/или прямо антинаучной идеологии ищут поводы к мистификации также в сфере методологических принципов космологии, – о чем и пойдет речь в следующем пункте лекции.

В космологии чаще всего невозможно поставить проверочный эксперимент: слишком велики масштабы изучаемых явлений. Наблюдения за процессами также не всегда дают нужный результат, т. к. длительность этих процессов порой в миллионы раз превышает время существования человечества. Поэтому здесь очень высока роль методологических принципов. К ним относится и т. н. антропный принцип (от греч. anthropos – человек). Считается, что он сформулирован в 1974 г. Б. Картером. Эта формулировка гласит: “То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей”. Но подобные идеи высказывались и прежде. Напр., в 1955 г. отечественный космолог А.Л. Зельманов фактически сформулировал тот же принцип в виде остроумного замечания: “мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы другого типа протекают без свидетелей”.

Есть разные "версии" (трактовки) антропного принципа, но в философском плане среди них выделяются версии слабая и сильная. “Слабая” версия рассматривает существование человека как логическую посылку суждений об исходных состояниях и возможных процессах во Вселенной, не придавая ему более широкого значения. Именно такая позиция и выражена в формулировках Картера и Зельманова, если понимать их буквально. Они просто требуют, чтобы при построении космологических гипотез учитывался факт существования познающего человека. Ничего необычного в таком требовании нет, нет в нем и ничего специально-космологического. Любая теория должна учитывать все наличные факты, в т. ч. – высшие результаты развития изучаемого предмета. Последнее особенно важно, т. к. в этих результатах наиболее полно раскрывается сущность вещей, их задатки и условия развития. Но с формальной стороны это не порождает какой-то специфичности. Речь идет, собственно, о рядовом случае применения логического закона контрапозиции: Если из А следует Б, то из не-Б следует не-А. Напр., если бы галактики сближались, то люди не могли бы существовать (из-за высокой радиации); но люди существуют, следовательно, галактики (как правило) не сближаются.

Но “сильная” версия трактует наше существование как онтологическую целевую предпосылку формирования Вселенной, т. е. как фундаментальное условие ее бытия и развития. У этой версии есть множество вариантов, так что ее общее понятие как бы расплывается. Идеологи вообще любят недостаточно определенные понятия, которые удобно приспосабливаются к любой нужной интерпретации (как в другом случае, напр., понятие цивилизации). Обычно сторонники "сильной" версии утверждают, что при малейшем отклонении фундаментальных физических констант от их современных значений существование жизни и людей стало бы невозможным. Напр., будь чуть выше константа тяготения, звезды обратились бы в “черные дыры” или стали бы, наоборот, недостаточно горячими. Если изменить константу сильного взаимодействия, цепочки ядерных реакций якобы не дойдут до углерода и азота, из которых построены живые тела. При изменении постоянной тонкой структуры атомы стали бы непрочными; и т. д. Но вероятность случайного выпадения нужных значений многих величин при таком их точечном подборе близка к нулю.

Отсюда делается вывод, что этот подбор осуществлялся сознательно и целенаправленно некоей “Суперсистемой”. Так рассуждает, напр., акад. Н.Н. Моисеев. Однако эти аргументы не выдерживают логической критики и научной проверки. С одной стороны, в бесконечном и вечном мире когда-то осуществляется любая вероятность, строго не равная нулю. С другой стороны, авторитетные космологи, в частности С. Хокинг, считают, что эти константы могли бы колебаться в достаточно широких пределах без утраты возможностей появления разума. Критику “сильной” версии антропного принципа дает также А.Д. Линде. Из других авторитетов космологии сошлемся на С. Вайнберга. Он, в частности, остроумно иронизирует: “Хотя наука и невозможна без ученых, совсем не ясно, что Вселенная невозможна без науки” (т. е. без наблюдателей. – В.С.).

С. Хокинг отмечает также, что антропный принцип в его "сильной" версии “направлен против хода всей истории науки”. Действительно: он никак не вытекает из данных космологии и не находят в ней никакого применения. Это не продукт научных заключений (хотя бы и ошибочных), а в чистом виде – плод идеологических спекуляций. В прошлом такие спекуляции порождались, отчасти, собственными идейными поисками и блужданиями неклассической науки. Однако в настоящее время они уже утратили опору в естествознании, и держатся только благодаря политической идеологии, пронизанной сегодня мистицизмом и недоверием к разуму.

Зато в своей рациональной, "слабой" версии антропный принцип является одним из ярких подтверждений самоорганизации как свойства всей, в т. ч. и неживой, материи; это также роднит современную космологию с синергетикой. А для рациональной диалектики антропный принцип, можно сказать, родная идея. Критикуя старый метафизический материализм, Ф. Энгельс подчеркивал, что материя приходит к появлению мыслящих существ не чисто случайно, а “в силу самой своей природы”. А К. Маркс писал: “Анатомия человека есть ключ к анатомии обезьяны”. Аналогично, существование человека есть ключ к пониманию этапов эволюции Вселенной, предшествующих появлению человека.

Не случись с марксизмом политический конфуз, сегодня наши идеологи наверняка провозглашали бы Маркса и Энгельса подлинными отцами антропного принципа. Но мы должны еще рассмотреть в этой лекции дискуссии, которые коренятся в действительно не решенных пока проблемах современной науки.

Вопрос об эволюции Вселенной тесно связан с представлениями о метрике мироздания, т. е. о природе и свойствах пространства и времени в нашей Вселенной. В космологии Ньютона предполагалось, что пространство и время не зависят о вещества, повсюду эвклидовы, однородны и анизотропны. Согласно общей теории относительности, свойства пространства-времени задаются силами гравитации и зависят от массы и движения вещества в данной области. Иначе говоря, метрика мироздания определяется объективно. Поэтому она носит, вообще говоря, неэвклидов характер (хотя на удалении от крупных тяготеющих масс может рассматриваться практически как эвклидова).

Как мы уже знаем, Ньютон предполагал дальнодействие гравитации. Релятивистская теория тяготения в принципе безразлична к дальнодействию или близкодействию. Тем не менее, сам Эйнштейн формулировал ОТО в предположении, что тяготение распространяется со скоростью света. Некоторые авторы полагают, что без этого ограничения не удалось бы устранить противоречия ньютоновской теории тяготения. Кроме того, при допущении скорости распространения гравитации больше С оказывалось, что в некоторых областях гравитационного поля скорость движения вещества может быть тоже больше скорости света, что запрещено выводами СТО.

Сам Эйнштейн отмечал, что электромагнитные поля, в отличие от гравитационных, "не выражают структурные свойства пространственно-временного континуума". Но если гравитация – близкодействующее поле, то оно, подобно другим полям, должно бы перемещаться в уже готовом пространстве. Но странно допускать, что некое поле готовит себе пространство до того, как само в нем перемещается. Значит, у "близкодействующей" гравитации не может быть привилегии на формирование метрики пространства. Поэтому ряд космологов отвергают эйнштейновское понимание метрики Вселенной.

Здесь особенно показательна т. н. релятивистская теория гравитации (сокращенно РТГ), разработанная акад. А.А. Логуновым (в прошлом – ректор Московского гос. ун-та). Согласно РТГ, выбор метрики при описании Вселенной имеет субъективный, условный характер. Можно пользоваться и представлениями Эйнштейна, но естественней принять наиболее простую, квазиэвклидову метрику (т. е. эвклидову с учетом взаимосвязи пространства и времени по Минковскому). А силы гравитации, согласно РТГ, просто накладываются на данную метрику, как при рассмотрении других близкодействующих полей. Эту идею высказал еще А. Пуанкаре, причем в тесной связи со своим принципом конвенциализма (в работе "Наука и гипотеза", 1904). Он считал, что опыты по измерению пространства на самом деле относятся не к пространству, а к телам, а само пространство не имеет объективной метрики.

РТГ претендует, как видим, на более понятное и единообразное описание поведения тел в силовых полях. Но в конечном счете она усложняет картину мироздания, к тому же не дает принципиально новых предсказаний сравнительно с ОТО и содержит некоторые сомнительные моменты. В философском плане идея локальности гравитации ведет к еще более странным выводам. Если все силы в природе близкодействующие и ни одна из них не отвечает за метрику бытия, то естественно заключить, что сама метрика определяется не в масштабе Вселенной, а локально. Другими словами, пространство и время должны формироваться отношениями внутри каждой системы взаимодействующих тел. Отсюда вывод, что существуют, якобы, нефизические формы пространства и времени: особые химические, биологические, психологические, социальные, а также и более частные метрики.

Сторонники этой философски-релятивистской теории порой ссылаются на релятивистскую физику, однако последняя признает не качественную, а лишь чисто количественную (геометрическую) зависимость пространства и времени от вещества, и притом – только от количественных, а не качественных свойств самого вещества (размера его массы и скорости движения). Теория "нефизической метрики" часто спекулирует на нерешенных проблемах науки (напр., проблема неравновесности хиральных форм вещества в живой природе). Но ее фактическая база сводится к чисто субъективным доводам, напр. – что время “тянется”, когда нам скучно, и “бежит”, когда нам весело. Подобные аргументы не убеждают науку, зато такие воззрения хорошо вписываются в субъективистскую идеологию, – которая, как мы уже знаем, находила свои корни в неклассической науке и продолжает находить их в современном состоянии общества. Видимо, по этой причине спор между РТГ и ОТО волнует необычайно широкую аудиторию и является, в частности, одной из постоянных тем в физических телеконференциях USENET.

В последние десятилетия наука приносит новые аргументы в пользу исходного эйнштейновского понимания метрики Вселенной. Открытие в космосе “черных областей” (см. выше) эмпирически подтвердило вывод ОТО об образовании вещества из энергии гравитации, который многим космологам казался слишком смелым. Возникая из флуктуаций вакуума, сила тяготения как бы "вытягивает" из него вещество, из которого далее строит галактики. В "пузырьках вакуума" и “черных областях” еще почти нет вещества, но есть сильное гравитационное поле; зато в "черных дырах" уже нет вещества, но остается сверхсильное гравитационное поле. А недавно показано (Л.И. Харбедия, 1994), что можно обойтись без предположения о близкодействии гравитации, если разрешить, в определенных случаях, взаимное превращение оси времени и одной из осей пространства (что в принципе допускается теорией относительности).

Но чтобы избавиться от странных субъективистских теорий типа РТГ и "нефизической метрики", видимо, следует признать дальнодействие гравитации. Однако этот вопрос требует более подробного обсуждения существа гравитации и затрагивает проблему единства сил природы. К нему обратимся вновь в начале следующей темы курса.

11.2. Проблемы строения и развития материи.Физика XVIII и начала XIX вв. знала три основных силы природы: гравитация, электрическое взаимодействие и магнитное взаимодействие. Во второй половине XIX в. Дж.К. Максвелл и другие создатели классической электродинамики показали, что два последних типа взаимодействия неразрывно связаны друг с другом. в единую электромагнитную силу. Но Максвелл только зафиксировал их связь, а идея сущностного единства этих сил утвердилась благодаря теории относительности, согласно которой электрические и магнитные поля взаимно превращаются со сменой системы отсчета. В 1932 г. открыты два новых вида взаимодействия: т. н. сильное, посредством которого образуются, напр., связи нуклонов в ядре атома, и т. н слабое, посредством которого, напр., осуществляются распады элементарных частиц. Этим силам соответствуют квантовые поля и особые частицы-носители. В попытках охватить эти четыре фундаментальные силы одной общей теорией наибольшую проблему представляет учет природы тяготения.

Мы уже отмечали, что у Ньютона гравитация трактовалась как нелокальная сила геометрического характера. Это значит, что действует она через пустоту (вакуум), уровень ее зависит только от взаимного расположения тел в пространстве, а изменение этой силы при взаимном перемещении тел не требует времени (сверх времени перемещения самого тела). Мы знаем также, что сам Ньютон затруднялся объяснить дальнодействие гравитации, которое противоречит принципу причинности, и как раз по этому поводу заявлял "Гипотез не измышляю". При этом он неоднократно высказывал предположение, что "существует тончайший дух, силой и действием которого определяются все движения материи", однако решение данного вопроса оставлял на усмотрение потомков.

И до Ньютона, и еще много времени спустя в науке о Вселенной господствовали идеи близкодействия, восходящие к “вихревой физике” Р. Декарта. И. Кеплер, на законах которого Ньютон основал свою теорию тяготения, думал, что планеты увлекаются движением эфира от вращения Солнца, подобно тому, как водоворот увлекает и кружит легкие тела. Х. Гюйгенс, современник Ньютона, тоже не хотел допускать действия силы через пустоту и создал модель Солнечной системы на основе гидравлической теории вихрей.

В решении этого спора важную роль сыграло определение формы Земли. По теории Декарта-Гюйгенса она должна быть вытянута, а по Ньютону – сплюснута у полюсов. Последнее было доказано только в 1735–1737 гг. экспедициями под руководством П. де Мопертюи. Но еще в 1740 г. Парижская академия наук присудила премию за объяснение приливов не сторонникам Ньютона, а приверженцу декартовой теории “вихрей”. В конце того же столетия П. Лаплас на основе астрономических наблюдений показал, что скорость распространения тяготения превышает света скорость по меньшей мере в 6 млн. раз, подтверждаются его выводы и современными исследователями.

Тем не менее, Эйнштейн вернулся к идее близкодействия гравитации. Происходило это возвращение непросто. Когда сам Эйнштейн пытался ввести тяготение в рамки СТО и при этом допустил, что его изменения распространяются с конечной скоростью С, расчеты показали, что скорость падения тела должна зависеть от его горизонтальной скорости, – что противоречит реальности и выводам Галилея. Как уже отмечалось в лекции о теории относительности, ОТО рассматривает гравитацию просто как искривление метрики пространства, а не как силу, и не содержит понятия энергии гравитационного поля, а сам Эйнштейн подчеркивал существенное отличие поля тяготения от полей иной природы и тождество гравитации с геометрией пространства. Казалось бы, все подталкивало его к предположению, что гравитация не распространяется в пространстве со временем.

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.

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.

Этот (1932) год в физике частиц называют годом чудес. Тогда же были открыты два новых фундаментальных вида взаимодействия – сильное и слабое. В том же году К. Андерсон открыл в космических лучах первые частицы антивещества – позитроны (анти-электроны). Позитрон был предсказан в 1931 г. П. Дираком. Он обратил внимание на нерелятивистский характер уравнения Шредингера и составил новое уравнение, которое описывало движение электрона с учетом теории относительности. Оказалось, что оно имеет два решения, одним из которых был известный электрон, другим – аналогичная частица, но с положительным зарядом.

В дальнейшем квантовая теория поля установила, что каждой частице соответствует античастица, которая отличается только знаком некоторых характеристик взаимодействий (напр., электрического заряда, барионного заряда, магнитного момента и др.). Если частица имеет нулевые значения всех зарядов, она совпадает со своей античастицей (напр., фотон, нейтральный пи-мезон и др.). Частицы и соответствующие античастицы (с противоположными зарядами) при столкновении аннигилируют, т. е. взаимно уничтожаются, а их масса покоя превращается в энергию, уносимую двумя (или более) другими частицами, напр. фотонами. Это открытие разрушило перегородку между полем (излучением) и веществом. Оказалось, они превращаются друг в друга в процессе порождения и аннигиляции электрон-позитронных пар.

В 1936 г. тот же К. Андерсон обнаружил мюоны и антимюоны. К концу 40-х гг. открыты пи-мезоны и известно уже 15 элементарных частиц. Дальше открытия посыпались как из рога изобилия. К 1981 г. эмпирически обнаружены античастицы практически всех известных частиц, и сейчас физика знает около 400 субатомных объектов. Такое многообразие заставило физиков вплотную заняться классификацией субатомных частиц, и в целом эта классификация проведена успешно. Ее результаты выражаются в виде т. н. Стандартной модели частиц и представляют существенный общенаучный и философский интерес. В первую очередь, обратим внимание на основные свойства частиц.

Субатомные частицы характеризуются прежде всего временем жизни. Всего пять из них считаются в принципе стабильными: электрон, протон, нейтрон, фотон и нейтрино. Причем лишь протон и нейтрино практически вечны. Время жизни свободного протона оценивается по современным данным в 1,6 10³³ года, тогда как возраст Вселенной порядка 1,5 10¹⁰ лет. Нейтрон стабилен только в ядре атома, а в свободном состоянии живет не более 16 минут, после чего самопроизвольно распадается (на протон, электрон и электронное нейтрино). Правда, в ядре атома протоны и нейтроны постоянно взаимопревращаются. Фотон всегда движется со скоростью света, и его торможение эквивалентно поглощению фотона веществом. Поэтому фактически он живет ровно столько времени, сколько проходит от его порождения до поглощения. Все другие субатомные частицы живут очень малое время. Особо выделяются т. н. резонансы – частицы с крайне малым временем жизни (порядка 10^–22 – 10^–24 с). Именно они составляют большую часть всех субатомных частиц (около 200).

Электрический заряд частиц всегда кратен заряду электрона, который принят за –1. Он меняется в небольших пределах; зато массы частиц могут различаться в тысячи и даже в сотни тысяч раз. Нет двух частиц с одинаковой массой, зато есть, как мы уже знаем, частицы без массы покоя. Электрон обладает также наименьшей массой покоя (около 9 10^–28 г.), поэтому с ним часто сравнивают и массы других частиц. Так, из важнейших частиц, протон (от греч. protos – первый) обладает зарядом +1, и тяжелее электрона приблизительно в 1836,1 раз. Нейтрон не имеет электрического заряда (лат. neuter означает ни тот, ни другой), и тяжелее протона на 2,5 массы электрона.

Каждая частица имеет спин – собственный момент импульса. Он выражается в единицах постоянной Планка ħ, и введен в науку в 1925 г. Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом. Английское слово spin означает "вращаться". Действительно, есть соблазн истолковать спин как момент вращения частицы вокруг ее оси, поскольку он определяет, на сколько градусов (кратных 180) надо повернуть частицу, чтобы она приобрела тот же вид, что до поворота. Однако эти углы могут быть и больше 360^о, а скорость вращения частиц при таком истолковании может превышать скорость света, что не имеет физического смысла. Спин – квантовый параметр, которому нет аналога в классической механике.

В зависимости от значения спина, частицы делятся на фермионы (ферми-частицы) – с полуцелыми спинами (1/2, 3/2), и бозоны (бозе-частицы) – с целочисленными спинами (0, 1 и 2). Название фермионов обусловлено тем, что они подчиняются статистике Ферми–Дирака, по которой в каждом квантовом состоянии (особые характеристики внутри некоторой системы частиц) может находиться не более одной частицы. Иначе этот принцип именуется запретом Паули. Фермионы – те частицы, из которых строится вещество. А бозоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна, по которой в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Бозоны со спином 1 принято называть векторными, а со спином 0 – скалярными.

Обычно бозоны играют роль переносчиков взаимодействия. По сравнению с частицами вещества, их индивидуальность как бы стерта, это трудолюбивые "муравьи" микромира. Как видим, уже в микромире намечается тенденция к развитию в будущем уникальности вещественных образований и обратного качества процессуальных отношений. Благодаря первому, возможен прогресс в развитии индивидуальных предметов, благодаря второму – все тела взаимодействуют по единым законам; в результате природа выступает как взаимосвязанное многообразие. Но конкретнее о роли частиц речь пойдет в следующем вопросе. Согласно принципу Паули частицы, относящиеся к фермионам, препятствуют любым попыткам к объединению. Наоборот, частицы с целым спином (бозоны) стремятся к объединению и легко образуют своеобразную квантовую жидкость.

В 1956 г. было открыто несохранение пространственной четности (P) при слабых взаимодействиях – мир оказался несимметричным, "правое" неэквивалентно "левому". Однако считалось, что все взаимодействия инвариантны относительно CP-сопряжения, то есть при замене правого на левое с одновременной сменой частицы на античастицу. В 1964 г. был обнаружен распад К-мезона, который свидетельствовал, что и CP-инвариантность нарушается (Нобелевская премия 1980 г.). Пока обнаружена только еще одна реакция с несохранением CP-инвариантности, а другая под вопросом. Реакция распада протона, на которую возлагались некоторые надежды, не зарегистрирована. Природа процессов с CP-несохранением неясна, их исследования продолжаются. Не решен вопрос, сохраняется ли такая инвариантность при замене времени t на –t (это имеет фундаментальное значение для понимания необратимости физических процессов).

Частицы делятся также на лептоны, адроны и переносчики взаимодействия. О лептонах кое-что говорит уже их название (от греч. leptos – легкий). К ним относятся, во-первых, действительно легчайший электрон, а также нейтрино, возможно – вообще не имеющее массы покоя. По крайней мере, она не обнаруживается в пределах современной точности эксперимента. Но в количественном отношении нейтрино превышает все остальные частицы, так что даже атомы (тем более – сложные системы вещества) выглядят редкими островами в океане нейтрино. Во Вселенной на один протон приходится 1 миллиард нейтрино. Если окажется, что нейтрино имеют заметную массу покоя, это может существенно изменить наши представления об устройстве Вселенной и путях ее развития. На конференции "Нейтрино-98" было заявлено о наблюдении т. н. нейтринных осцилляций, что должно бы означать наличие у нейтрино массы. Но пока окончательный результат не получен.

К лептонам относится и мюон. Интересно, что положительный мюон, когда он останавливается в веществе, может присоединять к себе электрон и образовывать подобие атома водорода (т. н. мюоний). А отрицательный мюон при тех же условиях может замещать один из электронов в атомах вещества. Мюон тяжелее электрона приблизительно в 207 раз, однако считается еще сравнительно легким. Но лет двадцать назад открыт тау-лептон (иногда именуется таон), который тяжелее электрона в 3636 раз и почти вдвое тяжелее протона. Кроме нейтрино, не имеющего заряда, все остальные лептоны имеют электрический заряд –1. В 60-х гг. установлено, что есть три типа нейтрино – электронное, мюонное и тау-лептонное. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом и их очень трудно обнаружить (нейтрино может пройти всю Землю насквозь и "не заметить" этого). Все же в 2000 г. открыта последняя по счету – тау-нейтрино (впервые след ее зафиксирован еще в апреле 1997 г., но все это время шла обработка результатов). – Таким образом, всего лептонов насчитывается 6, а вместе с античастицами – 12.

Все лептоны считаются подлинно элементарными частицами, т. е. не обнаруживают (по крайней мере, при достижимых сегодня энергиях) никакой внутренней структуры. Но в последние годы появились ожидания, что удастся доказать принципиальную разложимость электрона, облучая инфракрасным светом микроскопические пузырьки жидкого гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю; это произвело бы переворот во всей квантовой физике. Х. Мерис утверждает даже, что более 30 лет назад физики уже подтвердили делимость электрона, сами того не подозревая. Еще в 1982 г. было открыто существование квазичастиц с 1/3 заряда электрона и другой дробной величины при протекании тока в двумерном электронном "газе" при существенном взаимодействии между электронами (дробный квантовый эффект Холла, Нобелевская премия по физике за 1998 г.). Это не частицы в общепринятом смысле слова, а следствие группового "танца" электронов в квантовой жидкости. Тем не менее, в глазах специалистов это открытие означает, что заряд электрона оказался не элементарным.

Вообще электрон, первая из открытых субатомных частиц, все еще не до конца разгадан. Если следовать классическим представления о поведении зарядов и положить его точечным, возникают парадоксы воздействия поля этой частицы на нее саму; если же придать ему объем, электрон должен быть разорван внутренним отталкиванием частей собственного заряда. Кроме того, если бы мы измеряли "голый" заряд электрона, он оказался бы бесконечным по величине. Современная физика представляет себе "жизнь" электрона как постоянное испускание и поглощение виртуальных фотонов, которые окружают электрон плотным облаком ("шубой"). Поэтому не удается определить точный размер электрона, говорят только о его условном "классическом радиусе" r_o = e²/m_eC² ~ 10^–11 см. Эта модель решает ряд проблем, но не все специалисты находят ее удовлетворительной.