Современная космология: философские горизонты

Коллектив авторов

3. Онтологический анализ фундаментальных объектов квантовой космологии (струны, браны, петли и др.)

Для построения квантовой космологии необходимо создать квантовую теорию гравитации. Считается, что квантовая теория гравитации может быть построена именно на планковском масштабе. Но в космологическом плане (момент начала расширения Вселенной) на этом масштабе, возможно, унифицируются все 4 фундаментальные взаимодействия, следовательно, единая теория должна обрести силу на планковском уровне. Отсюда следует, что в определенном смысле квантовая теория гравитации, единая теория, а также Планковская космология тождественны.

Работы по созданию квантовой теории гравитации ведутся уже более полстолетия, и вариантов такой теории было предложено достаточно [197] . В настоящее время наибо-лее перспективными на роль такой теории считаются две теории: теория суперструн (ТСС) и теория петлевой квантовой гравитации (ТПКГ). Существует обширная литература, посвященная этим теориям¹. Нас же в данном разделе будет интересовать вопрос об онтологии фундаментальных, космологообразующих

объектов этих теорий. Актуальность онтологического анализа в квантовой космологии определяется необходимостью выяснения природы экстремальных состояний материи [198] , прежде всего планковского состояния, а также в связи с глубокой опосредованностью современного физического познания.

197

Среди них: теория суперструн, петлевая теория квантовой гравитации, модели динамической триангуляции, модели исчислений Редже, модели причинных множеств, теория твисторов, некоммутативная геометрия, модели, инспирированные физикой конденсированного состояния, индуцированная гравитация и др.

198

Фортов В.Е. Экстремальные состояния вещества на Земле и в космосе. — Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 6. С. 653–687.

Как уже отмечалось, на наш взгляд, на планковском уровне мы имеем дело с принципиально новым видом материального существования, аналогов чему не существует в современной физике. Это обстоятельство в решающей степени затрудняет построение теории квантовой космологии. Поэтому прежде чем обсуждать сами космологические модели, на наш взгляд, необходимо проанализировать ту объектность, которая будет представлять содержательную основу этих моделей. И действительно, фундаментальный объект ТСС — струна будет формировать одну космологию, а петля или Планковская ячейка пространства в ТПКГ — другую. Причем, как отмечает К. Ровелли, обе теории призваны описать планковский масштаб, причем именно на этом уровне они существенно различаются по отношению, например, к проблеме природы пространства-времени [199] .

199

Rovelli С. Loop Quantum Gravity.
– arXiv: gr-qc/9710008vl 1 Oct 1997.-P.3.

Суперструна как фундаментальный объект квантовой космологии

В ТСС основным объектом является струна [200] . Кратко опишем основные особенности этого объекта, необходимые нам в дальнейшем. Струна представляет собой одномерный физический объект планковского масштаба длины (l_Pl = 10^{– 33} см), однако исследования показывают возможность существования струн космологических размеров [201] . Исследования показали, что струны обладают суперсимметрией, поэтому называются суперструнами, а теория соответственно — ТСС. В дальнейшем под струной всегда будет пониматься именно суперструна. Согласно теории различные моды колебаний струн представляют собой элементарные частицы и дают не только весь их набор, но и много других частиц. Последнее является одной из трудностей теории [202] . ТСС — теория с фоновой зависимостью. Это означает, что струны находятся в независимо существующем пространстве-времени, в котором могут передвигаться. Поскольку в отличие от ТСС общая теория относительности является фоново-независимой, в которой пространство и время являются динамическими характеристиками, то одной из важнейших задач является построение ТСС как фоново-независимой теории, если строить квантовую теорию гравитации путем квантования ОТО. Подобная стратегия еще больше обостряет проблему выяснения природы пространства и времени и их роли в физической теории.

200

Сегодня уже можно говорить о том, что это утверждение не является общепринятым, поскольку струна является частным случаем р-бран, т. е. 1-браной.

201

Achucarro A., Martins C.J.A.P. Cosmic strings — arXiv: 0811.1277. Vol. 1. 8 Nov, 2008; Мейерович Б.Э. Гравитационные свойства космических струн. — Успехи физических наук. Т. 171. № 10. 2001. С. 1033–1049.

202

Последнее представляет собой одну из проблем теории. Критический анализ теории струн можно посмотреть, например, в: Смолин Л. Неприятности с физикой: взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует. — Penguin Book, London, 2007. Перевод Артамонова Ю.А. (http://zhumal.lib.ru/a/artamonovJ_a/) и в других работах.

Онтологически фундаментальным является поиск ответов на следующие три вопроса: 1) материальны ли струны,

2) представляют ли они только лишь геометрическую структуру, онтологию которой еще следует определить, 3) или же они — лишь некое абстрактное математическое средство, математическая конструкция, введенная для теоретически более эффективного (а может быть и чисто прагматического) решения некоторых физических проблем? Среди исследователей мнения по поводу ответов на эти вопросы разделились.

Материальны ли струны? Одним из аргументов сторонников положительного ответа на первый вопрос (в частности, случайного первооткрывателя [203] теории струн Г. Венециано [204] ) является, например, то, что различные моды колебаний струн дают физически реальные элементарные частицы. И действительно, логично предположить, что реальные частицы могут порождаться реальными физическими объектами. При этом несомненно, что физическая природа струны отличается от природы элементарной частицы, поскольку природа последней, согласно ТСС, содержится в колебательном процессе. Отсюда следует, что природа известных элементарных частиц чисто феноменологическая. Говоря языком метафизики, их сущность — колебания, которая (сущность) для наблюдателя проявляется в виде феномена «элементарной» [205] материальной объ-ектности. Но в рамках того же метафизического языка, все это означает, что элементарные частицы (электроны, кварки, фотоны) не обладают некоторой первичной субстанциональностью, они — только лишь феномены.

203

С. Вайнберг: «Молодой теоретик из ЦЕРНа Габриэле Венециано сумел просто угадать формулу, определявшую вероятности рассеяния…» (См. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. С. 166).

204

«Струны представляют собой материальные объекты…». Венециано Г. Миф о начале времен // В мире науки. 2004 (www.sciam.ru/arti-с1е/2296).

205

Правда, теперь уже предикат элементарности переходит к самим струнам.

В то же время возникает вопрос о том, обладают ли субстанциональностью сами струны? И какой? Представляется естественным в случае положительного ответа связать с ними принципиально новый вид материи. Причем, возможно, это должен быть вид материальности не меньшей фундаментальности и радикальности, чем фундаментальность электромагнитного поля, введенного в период доминирования механистической картины мира, или открытие искривленного 4-мерного пространства-времени. По-видимому, он должен быть даже еще более высокой степени фундаментальности. Поиск физической онтологии подобного масштаба является, на наш взгляд, актуальнейшей проблемой планковской космологии и всей физики.

Геометрическая природа струн. Этот и ряд других аргументов представляют позицию сторонников положительного ответа на второй вопрос. Нетривиальный образ в этом плане предложил С. Вайнберг. С его точки зрения «Струны можно представить себе как крохотные одномерные разрезы на гладкой ткани пространства» [206] . Перед сторонниками чисто геометрической интерпретации струн стоит задача онтологизации своего подхода. Можно ли придать еще какой-то физический смысл такой геометрической конструкции как суперструна? Можно ли добавить какую-то новую физическую интерпретацию в уже существующее содержание глобальной программы, которая парадоксально формулируется в следующих словах: «Физика есть геометрия» [207] ?

206

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М., 2004. С. 167.

207

Эти слова принадлежат А. Уилеру.

Отметим, что в рамках положительного ответа на этот вопрос фундаментальной и глобальной физической субстанцией становится пространство и время. Как вариант, следует говорить о субстанциональности структуры пространства и времени, что выражает большую определенность и локализованность такого характера субстанциональности: геометрической, топологической, топосной и т. д.

В рамках геометрического подхода к природе струн, последние также могут проявлять себя как известные материальные объекты в виде, например, элементарных частиц только феноменологически. Дело в том, что в рамках программы геометризации физики¹ предпринимались и предпринимаются попытки представить все элементарные частицы в виде чистых структур геометрии пространства-времени (не обязательно 4-мерного), например, в виде локальных микроскопических областей сильно искривленного пространства-времени. Эти геометрические структуры воспринимаются как реальные феноменологические физические объекты, в частности, частицы, только по отношению к макроскопическому наблюдателю антропоморфной природы [208] .

208

Современная фундаментальная физика, по-видимому, должна уже все более определеннее подчеркивать антропоморфную природу своего наблюдателя, который является ее же источником. К этому, в том числе, подталкивает одна из достаточно фундаментальных исследовательских дисциплин — поиск новых форм жизни во Вселенной, в частности, в рамках продолжающегося проекта SETI.

Струны как абстрактное вспомогательное средство физического описания. Является ли струна формальным вспомогательным математическим конструктом типа волновой функции, лагранжиана, траекторий в фазовом пространстве и т. д.? Этот вариант вряд ли адекватен в бук-вальном смысле, поскольку моды колебаний струны дают все реальные элементарные частицы. В связи с последним струна, по-видимому, должна быть принципиально новым элементарным объектом физики и природы.

О физической элементарности струн. В рамках ТСС струна является элементарным, первичным физическим объектом. Но — протяженным! Последнее, как считается, дает возможность обойти труднейшую проблему квантовой теории поля — проблему бесконечных значений физических величин, возникающую из-за постулирования точечного характера элементарных частиц. Однако сочетание элементарности и протяженности приводит к некоторым концептуальным трудностям.