Материал: Аблеев С.Р. Философия науки. Вводный курс
171
Демокрита, который полагал, что мир состоит из неделимых частиц (атомов) и пустоты. Аристотель утверждал, что в мире нет никакой пустоты, везде что-то должно быть. Позже это «что-то» назвали эфиром, понимая под этим термином некоторую материальную среду, существующую в природе повсеместно.
К подобной точке зрения, в конечном счете, пришла и физика ХХ столетия. Но вместо эфира после создания теории относительности стало использоваться понятие пространства
(пространственно-временного континуума). А некоторое время спустя в научный оборот прочно вошло понятие вакуума в качестве универсальной пространственной среды. Причем вакуум стал восприниматься не как пустота или ничто, а как особое состояние материи с нулевой актуальной энергией, но огромными потенциальными возможностями.
Оказалось, что вакуум может порождать пары противоположных по своим свойствам микрочастиц: частицу и соответствующую ей античастицу. Существование античастицы электрона («вакуумной дырки») теоретически предсказал английский физик Поль Дирак еще в первой половине ХХ в. Это предположение было экспериментально подтверждено в 1932 г. американским исследователем Карлом Андерсоном при фотографировании треков космических частиц. Новая частица, по всем своим свойствам противоположная электрону, получила название позитрона.
При сближении частица и античастица аннигилируют (лат. annihilatio – уничтожение, исчезновение). В результате реакции аннигиляции электрона и позитрона образуются два гамма-кванта (два фотона высоких энергий). Позже способность вакуума порождать пары частица-античастица была обоснована в экспериментах на ускорителях (синхрофазотронах и коллайде-
172
рах) – сложных экспериментальных физических устройствах, применяющихся для изучения структуры микромира.
На этом сюрпризы вакуума не закончились. Физика установила, что в нем могут существовать поля с нулевой энергией без существования реальных физических частиц. Например, электромагнитное поле без фотонов. Для объяснения таких феноменов было введено понятие виртуальной частицы – микрочастицы теоретически возможной, но реально не обнаруживаемой никакими физическими средствами из-за крайне малого срока жизни. Если их нельзя обнаружить, что же тогда заставляет физиков говорить об их существовании? Общее воздействие виртуальных частиц, т. е. вакуумного виртуального фона на реальные микрочастицы. Этот физический эффект уже подтверждается экспериментально.
Отмеченные исследования имели огромное значение для всей науки и несли в себе глубокий мировоззренческий смысл. Во-первых, физика установила, что вакуум является особой материальной реальностью, способной создавать и уничтожать физические объекты. Во-вторых, была открыта антиматерия, что кардинально поменяло представления ученых о мироздании
иставило перед ними целый ряд новых непростых вопросов.
Внастоящее время исследования вакуума активно продолжаются. Например, одну из непризнанных теорий физического вакуума на исходе ХХ в. разработал российский физик Геннадий Шипов. В ней принцип относительности был распространен на все известные физические поля. Микрочастицы трактовались как предельный случай полевых образований, а искривленный и закрученный пространственно-временной континуум рассматривался как виртуальное вакуумное возбуждение. Таким образом, теория Шипова, несмотря на множество критических возраже-
173
ний со стороны оппонентов, внесла определенный вклад в развитие одной из самых фундаментальных идей физики ХХ в. о геометрической (пространственной) природе микрочастиц и всего физического мира. Сторонником этой идеи в свое время был, в частности, Альберт Эйнштейн.
В современной научной интерпретации концептуальная суть этой идеи состоит в следующем представлении: в основе физического мироздания находятся не какие-либо неделимые дискретные частицы, а сложным образом структурированное континуальное пространство. Оно может восприниматься как пустая пространственная материальная среда или даже как
вакуумное ничто. По этому идейному руслу развивается одно из самых перспективных направлений современной физики – М-теория, ранние версии которой (в конце ХХ в.) были извест-
ны как физические теории суперструн.
Теория струн начинает свое развитие в 1968 г. в Женеве (Европейская организация ядерных исследований) с работ двух молодых физиков – Габриэле Венециано и Махико Сузуки. Именно они случайным образом установили, что малоизвестная математическая формула (бета-функция) Леонарда Эйлера странным образом подходит для описания квантовых микрочастиц. Позже Йоитиро Намбу и Тэцуо Гото определили важнейшую характеристику, на которой была основана теоретическая модель Венециано. Ей оказался физический объект типа вибрирующей струны. При таком подходе квантовые микрочастицы воспринимались не как традиционно принятые в физике точечные объекты, а как вибрации протяженных структур (струн) пространства крайне малой длины1.
1 Каку М. Введение в теорию суперструн. М., 1999.
174
Таким образом, концептуальную основу многочисленных разновидностей теории струн составляет гипотеза о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий микроскопических квантовых струн физического пространства на масштабах порядка планковской длины (10−35 м)1.
Очевидно, что теория струн вовсе не предполагает поиск конечного набора традиционно понимаемых элементарных частиц, из которых построена вся физическая материя. Все микрочастицы в ней предстают не более чем вибрациями различной частоты и энергии, которые совершают действительно элементарные объекты – то есть квантовые микроструны пространства. В таком случае вся Вселенная в этой теории метафорически выглядит не как сложный Дом из кирпичей (элементарных частиц), но как величественная природная Симфония – квантовая музыка микрострун космического пространства.
Более развитой и совершенной версией группы теорий физических струн является так называемая М-теория. В середине 90-х гг. ХХ в. американский физик-теоретик Эдвард Виттен, а также некоторые другие физики неожиданно установили, что всевозможные версии струнной теории представляют собой различные предельные случаи не разработанной пока 11мерной М-теории. Это открытие в современной физике стали воспринимать как вторую суперструнную научную революцию. М-теория, в частности, отличалась от старых версий струнной теории тем, что вводила новое понятие – «брана», которое являлось более общим относительно понятия «струна».
Бра́на (многомерная мембрана) – это гипотетический многомерный физический объект, имеющий размерность меньше,
1 Грин М., Шварц Дж., Виттен Э. Теория суперструн : В 2 т. М., 1990.
175
чем размерность пространства, в котором он находится. Так, при таком теоретическом подходе точечные частицы называются 0-бранами, так как они не имеют пространственного измерения и бесконечно малы. Линейно протяженный объект типа пространственной струны – это 1-брана, так как его размерность равна единице. Плоская поверхность стены – это 2-брана, так как размерность плоскости составляет две единицы. Физическое пространство нашей Вселенной может представлять собой 3-брану, так как в ней существует три пространственных измерения.
Таким образом, в М-теории все многообразие квантовых частиц и объектов Вселенной представляется как сложная картина различных пространственных структур – многомерных мембран. В таком случае в описываемой парадигме фундаментальной основой физической материи предстают уже не микро-
частицы, но вибрирующая пространственная среда (вакуум),
структурированная сложным образом. Этот вывод имеет фундаментальное мировоззренческое значение для всей новой научной картины мира, однако, на наш взгляд, он не получил еще должного философского осмысления и остается пока лишь в сфере физических исследований.
Некоторые физики полагают возможным рассматривать всю нашу Вселенную в виде мегамембраны, которая парит
впространстве более масштабной Супервселенной. Тогда известная нам физическая Вселенная представляет собой космическую структуру (3-брану), погруженную в пространство, имеющее скрытые для нас дополнительные измерения1. Причем
вданном случае речь уже идет не о компактифицированных
1Рэндалл Л. Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства / Пер. с англ. – М., 2011.