Современная космология: философские горизонты

Коллектив авторов

Характерно, что проблемы, обсуждаемые в рамках антропного принципа, согласно которому существование Вселенной в ее нынешнем виде (с присутствием в ней человека) зависит — и весьма критическим образом — от конкретных значений масс элементарных частиц и от величин констант фундаментальных взаимодействий, имеют, так сказать, вакуумную подоплеку. В работе¹ показано, что эти значения отражают свойства физического вакуума и, более того, формируются ими.

Программа унификации с включенным в нее антропным принципом вновь ставит вопрос о глубинной взаимосвязи Вселенной, Жизни и Разума, ставит вопрос о Человеке и его миссии в этом мире. Все опять же возвращается в лоно вечных проблем, наиболее четко сформулированных И. Кантом: «Что я могу знать? Что я должен делать? На что я могу надеяться?» [314] . А это на современном уровне познания мира «подстрекает» к попытке сопоставления по уровню сложности биологические структуры и структуры гетерогенного вакуума.

314

Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. М., 2001.

Границы познаваемого

Биологические структуры построены из квантов фермионных и бозонных полей, масштабы которых достигают 10^{– 8} см. Что касается вакуумных подсистем, то масштабы их функционирования от 10^{– 13} до 10^{– 30} см. То есть это системы, весьма различные по масштабам. Что понимается при их сопоставлении под уровнем сложности? Будем считать, что сложность объекта напрямую связана с количеством функциональных связей между элементами структуры и возможностями записи на этих структурах информации о самих объектах и об их истории, а также возможность использования этой информации для выработки реакций на изменение условий, в которых этих структуры существуют. Можно определенно утверждать, что сложность гетерогенного вакуума, по меньшей мере, одного порядка со сложностью биологических систем. Обе структуры являются эволюционирующими. Причем, если говорить о вакууме, то в области релятивистских фазовых переходов имеет место перестройка вакуума с рождением различных по своим свойствам объектов физического мира за счет диссипации энергии вакуума. Обе структуры обладают свойством самоорганизации. Самоорганизацию мы рассматриваем как способность реагировать на внешние условия, сопротивляясь их влиянию на разрушение структур. Само по себе понятие самоорганизации телеономично,

ибо содержит в себе целеполагание на сохранение. Жизнь, с нашей точки зрения, — это способность реагировать на внешние условия с использованием информации. Здесь также существует цель, связанная с сохранением и воспроизводством. Разум — это способность реагировать на информацию с использованием ее для прогнозирования будущего. Можно сказать, что и здесь та же цель, но которая сопровождается тенденцией к изменению внешней среды в соответствии с оптимизацией условий существования. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в этой цепочке явно прослеживается расширение содержания понятия цели, и каждый раз расширяется количество информации и режим переработки этой информации. Излишне подчеркивать, что любая система имеет ограниченные возможности к прогнозу. Подобная способность разума должна быть обусловлена тем, что он представляет собой более сложную систему, чем среда, в которую он помещен. Если Вселенная способна к прогнозированию своей эволюции, то возникают (нередко повторяемые в ряде работ современных ученых) гипотезы о ее разумности или о Мировом Разуме. Излишне говорить о претенциозности и преждевременности такого подхода. Однако и точка зрения, базирующаяся на материализме, даже понятом в русле спинозовской концепции (на основании которой разум, мышление рассматривается в качестве атрибута материи, как необходимое условие самодвижения материи [315] ), требуют в связи с полученными в физике результатами более внимательного рассмотрения. При таком подходе подразумевается, что само мышление, человеческий разум представляют собой более сложную систему, чем организующая его среда во всей ипостаси своего исторического развертывания. Это и составляет кредо антропоцентричного подхода. А что, если это не так? На повестку дня опять-таки выдвигаются такие ноумены, как мир в целом и душа. Если стать на редукционистские позиции и под душой человека понимать некоторое ин-формационное поле, то здесь наука находится далеко от границы познаваемого. Здесь ноуменальность прямо-таки налицо. Известно, что в физике информационные поля известны давно, информационные поля учитываются в квантовой физике и математически описываются вектором состояния. Напомним, что вектор состояния в математической форме содержит информацию о статистических распределениях всех физических величин, характеризующих микрообъект. Но в терминах статистического распределения можно представить любую информацию. Заметим, что именно это обстоятельство имеют в виду при разработке нанотехнологий для телекоммуникационных систем, целиком основанных на квантовой механике. Таким образом, информационные поля в физике есть. Существует весьма важный аспект. Дело в том, что согласно аксиоматике квантовой механики эти поля линейны. И это одна из причин, по которой буксует построение унифицированной теории. До тех пор, пока информационные поля в фундаментальной физике имеют линейный характер, ни о каком методологическом прорыве, использующем идею самоорганизации эволюционирующей Вселенной, говорить не приходится.

315

Ильенков Э.В. Мышление как атрибут субстанции// Диалектическая логика, http://www.caute.net.ru/ilyenkov/chronica.html;

Что касается мира в целом, то это уровень рассуждений, презентирующий себя на научном уровне в рамках квантовой космологии. Сам термин «квантовая космология» является в некотором смысле спорным, потому что попытки квантования гравитационного поля по сей день не увенчались успехом: общая теория относительности и квантовая физика все еще только на пути к взаимосогласованию. Между тем, под квантовой космологией традиционно понимается область исследований, для которой такое согласование принципиально. Это масштабы энергий от 10¹⁶ до 10¹⁹ ГэВ (или от 10^{– 30} до 10^{– 33} см). На этих масштабах произошли явления, которые сформировали последующий облик Вселенной, сформировали свойства гетерогенного вакуума. Как отмечал Кант, «разум в своих изысканиях перешагивает все возможные границы», потому и в этой сфере существуют различные гипотезы, имеющие в определенном смысле фантасмагорические оттенки. Повторим, что существующая парадигма квантовой теории основана на делении мира на две подсистемы с последующим согласованием их свойств в рамках концепции целостности. Единственный способ введения даже линейных информационных полей сводится в теории к процессу квантования. Квантовая механика строится на основе классической заготовки, а потом проводится квантование. В попытках построения унифицированной теории эта попытка распространяется и на геометрические теории. Принципиальное значение здесь имеет следующее обстоятельство: идея целостности физических объектов и средств наблюдения реализуется в квантовой теории и в классических геометрических теориях различным образом. В квантовой теории она реализуется процессом квантования, переходом к операторному представлению, а в классических геометризированных теориях — путем введения дополнительных уравнений, задающих систему отсчета и, следовательно, состояние наблюдателей. Здесь надо иметь в виду, что в классической геометризированной теории система отсчета определяется как система, включающая множество наблюдателей, в отличие от квантовой теории, где система множества наблюдателей сразу приводит к проблемам. Таким образом, синтез квантового и геометрического представлений о природе физических полей является далеко нетривиальной задачей. По существу, здесь делается попытка двумя альтернативными способами, совместимость которых не очевидна, реализовать одну методологическую концепцию. Понятно, что нужна ключевая идея, объединяющая квантовый и геометрический подходы. Формулировку этой идеи надо искать при анализе тех проблем, которые существуют в обеих обсуждаемых теориях. Концепция целостности, реализующаяся в геометризированных теориях, по своей сути эквивалентна идее самоорганизации. Однако без идеи самоорганизации невозможен анализ и тех проблем, которые возникают в квантовой теории при наличии множества наблюдателей. Квантовая теория, с одной стороны, использует концепцию многовариантности путей эволюции (вероятностная динамика всегда многовариантна). А, с другой стороны, именно она решает проблему устойчивости основных физических состояний (электрон не падает на ядро, например). Сопоставление этих двух аспектов квантовой теории приводит к мысли, что постоянная Планка «h» является отражением происходящих в природе процессов самоорганизации, причем на самом фундаментальном уровне представлений о материи и пространстве-времени. Существует надежда, что введение кванта действия и калибровка существующих геометрических теорий — операции, имеющие идентичный смысл. И в рамках идеи самоорганизации совмещение этих двух процедур окажется возможным. А это указывает на необходимость обобщения принципов квантовой теории. В этом ключевая суть остро обозначившего себя поиска новых методологических подходов. Сегодня же мы констатируем трудности в применении процедуры квантования в современных геометризированных теориях. Теория суперструн генетически представляет собой программу классической заготовки. Так что здесь сразу вырисовывается главное препятствие в достижении унифицированности — трудности совмещения теории суперструн с процессом квантования. Следствием этого и является разделение всей мировой системы на две подсистемы: классическую, которую следует рассматривать как макрообстановку, которая должна быть строго детерминированной, и квантовую. То, что подобный подход является неполным, следует из анализа существования физических ситуаций, в том числе и в пределах достигнутых экспериментальных возможностей, когда разделение объекта исследования на классическую и квантовую подсистемы теряет смысл. Потому терминосистема «квантовая космология» отражает «мечту об окончательной теории».

Тем не менее, уже сейчас четко обозначена область ее исследований — речь идет о вероятностной эволюции Вселенной, входящей во множество других вселенных. И хотя это множество (Мультивселенная или Метавселенная) никак не конкретизируется, считается, что множество путей эволюции предполагает существование множества вселенных.

Существует вариант, в котором это множество рассматривается как нечто исходное, являющееся надвременной и надпространственной реальностью, — так называемое суперпространство Уилера. Подчеркнем, что суперпространство, объдиняющее множество вселенных (суперпространство Уилера), не следует путать с четырехмерным суперпространством, внутренняя симметрия которого объединяет фермионные и бозонные поля. В концепции Уилера описание физических процессов проводится с принципиальным отсутствием параметра времени, если нет представителя — наблюдателя. Другой вариант — это концепция многолистной Вселенной (концепция Уилера-Эверетта), согласно которой множество возникает в процессе недетерминированной редукции квантовых состояний при измерениях, проводимых делокализованным наблюдателем внутри Вселенной.

Другая модель, которая развивает приоритет детерминистической редукции, была предложена Хартлом и Хокингом [316] , и претендует она на описание мира в русле концепции фатализма с жестко предопределенной редукцией всех волновых пакетов на всем протяжении существования Вселенной. Редукция изначально закладывается в граничные условия уравнений Уиллера-Де-Витта. Геометрические условия представляют собой здесь максимально симметричные граничные условия, допускаемые уравнениями. Именно в эти граничные условия включен наблюдатель. Оказывается, что максимально симметричные граничные условия можно получить только в формальной теоретиче-ской модели, в которой время мнимое. Для заданных таким образом граничных условий находится волновая функция всей Вселенной, предопределяющая будущее Вселенной. Реальное время возникает только на квазиклассической стадии эволюции Вселенной, после фрагментации замкнутой пространственно-временной области из суперпространства. Но эта фрагментация происходит не случайно, а, согласно теории Хокинга, фатально. До фрагментации мы имеем сигнатуру с мнимым временем, когда и формируются граничные условия. Такова в общих чертах схема квантовой геометродинамики по Хокингу. Противоположная позиция исходит из положения, согласно которому максимально симметричное состояние не имеет решения в силу внутренней природы самих уравнений квантовой геометродинамики. Вопрос в том, что же нарушает эту симметрию, что обуславливает неизбежное существование действительного времени? И ответ на этот вопрос связывается опять-таки с представлением о существовании вакуума. Иными словами, не может идти речи о геометрии без учета вакуума, нарушающего геометрические симметрии. В основе здесь идея о том, что точные симметрии не наблюдаемы. Чтобы что-либо вычленить для наблюдения, необходимо различение. Таким образом, уже вакууму можно приписать роль наблюдателя, ибо на своих структурах он пишет историю, которую мы хотим прочитать. В обеих концепциях мы все равно приходим к необходимости существования наблюдателя во Вселенной: в первом случае — через граничные условия; во втором случае через многовариантную эволюцию вакуумных структур. Но если в геометродинамике Хокинга все Вселенные устроены по одному принципу и одинаковы, то в первой концепции речь идет о возникновении различных вакуумов и различных пространственно-временных сигнатур.

316

JB. Hartle, S. W. Hawking. Wave function of the Universe.
– Phys. Rev. D28, 2960(1983).

Существует и версия, согласно которой Вселенная изначально содержит элемент, который можно назвать делокализованным наблюдателем, с самого начала изучающим самого себя. Выше уже говорилось о концептуальной идентичности данного подхода с феноменологией духа Гегеля. Следует признать, что построение такой системы имеет прагматическое содержание, ибо позволяет обойти поставленный в начале данного параграфа вопрос, а именно, может ли менее сложный объект выступать субъектом познания более сложных структур? Пока мы сложнее познаваемых нами структур, мы можем смело выступать в качестве субъектов познания, имея в качестве объекта исследований, в том числе, и самих себя. Как должен быть организован процесс познания, когда на повестку дня встают проблемы, обозначающие себя в квантовой космологии? Здесь метод познания, опирающийся на существование локально воспроизводимых элементов мира, не работает. Встает вопрос о познании Вселенной в целом, что для локализованного наблюдателя невозможно. В этой области энергий теряют свой смысл термины макромир, микромир, пространство, время. Теоретическое деление мира на две подсистемы становится в данном круге задач невозможным: само понятие вакуума в квантовой космологии становится едва ли не бессмысленным. Категория вакуума, понимаемая как исходная абстракция, имеет отношение к физике нашего мира, венцом эволюции которого становится человек.

Антропный принцип, поставивший на повестку дня модальность долженствования и целеполагания в самоорганизации Вселенной, результатом эволюции которой должно было стать появление Человека, вырисовывает направления, ведущие современную физику к тем проблемам, которые впервые были обозначены философией Канта. Достаточно хотя бы более пристально вглядеться в первую антиномию чистого разума, чтобы ясно увидеть в ней те же проблемы, которые сегодня решаются уже на языке физики.

По мнению Канта, и тезис, и антитезис первой антиномии являются ложными. Несмотря на то, что и тезис, и антитезис доказывается им вполне строго апологическим методом (то есть методом от противного). Ошибки в умозаключениях Кант видит в том, что «разум ведет свой регресс, не рассматривая при этом, принадлежит ли обусловленное к миру вещей или к миру явлений». Можно поставить вопрос о справедливости притязаний и тезиса, и антитезиса на истину. Тезис первой антиномии оказывается верным, если рассматривать обусловленное и его условия как явления, где синтез, будучи эмпирическим, необходимо дан в пространстве и во времени, последователен и «имеет место только в регрессе и никогда не существует без него. Но зато мы можем сказать в таком случае, что регресс к условиям, т. е. непрерывный эмпирический синтез на этой стороне, предложен или задан нам и что не может быть недостатка в условиях, даваемых этим регрессом» [317] . Но именно так обстоит дело в теоретической космологии наших дней. Мир имеет начало во времени, если речь идет о нашей Вселенной, ибо начало во времени — это есть момент ее отпочковывания в виде вакуумного пузыря. В этом ряду рассмотрения вакуум представляет собой безусловное, исходную абстракцию (по терминологии Гегеля) теории нашего мира, венцом эволюции которого является Человек. И этот мир, весь этот ряд явлений, не есть вещь, которая может рассматриваться в качестве действительной независимо от человека. Другое дело вся самовосстанавливающаяся Вселенная, в которой наш мир выступает всего лишь одной из бесчисленного множества вселенных. Здесь уже синтез обусловленного с условием и весь ряд условий должен мыслиться сразу, без всякого ограничения во времени и потому не заключает в себе понятия последовательности. В данном случае это обусловленное, и его условия есть «вещь в себе», в этом ряду наша Вселенная выступает как обусловленное, но при этом «регресс к условиям не только задан, но и в действительности уже дан вместе с обусловленным» [318] .

317

Кант И. Соч. в 6 т. Т.З. М., 1964. С. 456.

318

Там же. С. 455–456.

Таким образом, если тезис вполне соответствует нашему человекомерному миру, в котором понятие времени приобретает смысл, то антитезис, согласно которому мир не имеет начала, а существует вечно и бесконечен, ибо понятия пространства и времени вне человекомерности действительно теряют свое операциональное значение, относится ко Вселенной в целом.

Какова роль этой целостности в возникновении впоследствии нашего мира? Сможет ли человек, являющийся продуктом космологической эволюции конкретной Метагалактики с конкретным видом физического вакуума и специфичной для него пространственно-временной сигнатурой, когда-либо получить ответ на этот вопрос? Или мы должны принять позицию Канта о различении мира явлений и мира «вещей в себе». Известно, что в спекулятивной философии Гегеля человеческому мышлению приписана способность достичь в своем развитии уровня одного порядка с Мировым разумом. Сама организация духа, по Гегелю, обуславливает собой миропознание, ибо организация духа есть также и организация реального мира. Дух порождает из самого себя Вселенную, познающего ее субъекта, и в силу этого приходит к самому себе. Самодвижение Абсолютного духа через самораздвоение на пути возвращения в самое себя имеет главную цель — познание своей сущности. И это самопознание духа осуществляется посредством мыслительной мощи Человека. Подобный подход не лишен привлекательности вследствие своего оптимистического гностицизма. Но вряд ли этот оптимизм сегодня имеет весомый естественнонаучный фундамент. Однако следует признать, что вечные философские вопросы в связи с новейшими достижениями в космологии и физике элементарных частиц обозначают себя все острее. Проблемы физического вакуума вновь вызывают к жизни «тени» великого философского прошлого, настойчиво осовременивают их и расчищают для них достойное место в естественнонаучной проблематике.

Я. В. Тарароев

ПОНЯТИЯ ИНФЛЯЦИИ, ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ, ТЕМНОГО ВЕЩЕСТВА В СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ

Проблемы и парадоксы релятивистской космологии, как и необходимость для их решения выйти за её рамки были осознаны уже достаточно давно, ещё в середине 60-х годов XX столетия. Наибольший содержательный и мировоззренческий вызов релятивистской космологии бросала первая проблема, связанная с «исходным материалом», из которого произошла наша Вселенная. Физический вакуум в качестве такого кандидата был далеко не очевиден, были и другие предложения, например, особый вид плазмы [319] , однако логика развития научного знания, искусственность и «натянутость» таких предположений подталкивала к тому, чтобы на роль «исходного материала» Вселенной был выдвинут именно физический вакуум.

319

См. Альвена Г. «Миры и антимиры. Космология и антиматерия». Пер. с англ. М., 1968. С. 120.

Положение о возникновении Вселенной из вакуума было высказано достаточно давно Г.И. Нааном [320] (как выразился сам автор, «…всё из вакуума…»). Затем появилась выполненная П.И. Фоминым одна из первых работ, в которой уже предлагалась не только идея, но и описывалась «физи-ка процесса» [321] . В ней П.И. Фомин пишет о «вакуумной космологической модели», употребив характерные для этой теории в дальнейшем термины «почкование», «туннельный переход» и т. п. Вместе с тем к идее возникновения Вселенной из физического вакуума оказался возможен и подход, так сказать, «с другой стороны», через раскрытие «физической природы» космологического -члена в уравнениях Эйнштейна. Через ряд предположений, выдвинутых другими авторами, Э.Б. Глинер [322] отождествил его с космологическим вакуумом. Сразу возникает вопрос о тождестве или различии физического и космологического вакуумов. Однозначного и окончательного его решения нет и по настоящее время, особенно в свете последних открытий, связанных с тёмной энергией [323] , о чём будет идти речь ниже. Однако оба вакуума обладают очень важным, с точки зрения космологии, свойством: и тот и другой вакуум приводит к одному закону расширения. Для космологического вакуума такой закон расширения известен ещё со времён де Ситтера, а для физического вакуума такой закон расширения впервые был указан A.A. Старобинским [324] в 1979 г. Эта идея оказалась весьма плодотворной именно для решения проблем, возникающих в релятивистской космологии. Сам A.A. Старобинский использовал её для решения проблемы сингулярности, а «подхвативший» и развивший её позднее А. Гут «расширил» её использование, пытаясь разрешить при её помощи взаимосвязанные друг с другом проблемы плоскости, горизонта и реликтовых монополей. (Последняя заключается в отсутствии их наблюдений, тогда как согласно теории они должны появляться на ранних этапах эволюции Вселенной в больших количествах). В целом А.Д. Линде выделяет [325] три инфляционных «сценария» — «старая» модель А. Гута; «новая модель», связанная с именами А. Альбрехта и П. Стейнхарда, а так же самого А.Д. Линде; и третья «модель хаотической инфляции», автором которой был А.Д. Линде. Первые две имели внутренние содержательные противоречия и допускали ряд искусственных допущений, и только модель хаотической инфляции не имела серьёзных подобных изъянов. Именно она и стала концептуальной основой современного космологического знания [326] . Согласно этой концепции, в первичном высокоэнергетическом физическом вакууме происходят квантовые флуктуации (колебания) его характеристик, которые подчинены случайным процессам. Эти случайные процессы приводят в некоторых локальных областях (l 10^{– 33} см) к перестройке физического вакуума (происходит фазовый переход), и эти области начинают стремительно расширяться. Это расширение и отождествляется с процессом возникновения нашей (и не только нашей) Вселенной. В данной концепции термин «расширение» закономерно заменён термином «раздувание», поскольку масштабный фактор за время от 10^{– 43} с. до 10^{– 35}с. увели-чился от l 10^{– 33} см до 10¹⁰⁴см, а возможно даже и до гораздо больших масштабов. После прекращения инфляции метрическая эволюция Вселенной вышла на «классическую релятивистскую стадию», и в этом смысле инфляционная космология не опровергает релятивистскую космологию, а скорее дополняет её, рассматривая ещё более ранние этапы эволюции Вселенной, которые были вне пределов рассмотрения релятивистской космологии. Раздувание Вселенной на самых ранних этапах её эволюции происходило по экспоненциальному закону а(t) ~ е^Ht и поэтому данный процесс был назван «инфляцией». Название обусловлено аналогией с денежной инфляцией, при которой скорость роста денежной массы прямо пропорциональна самой денежной массе, в данном же случае «рост» масштабного фактора пропорционален ему самому (da(t)/dt ~ a(t)). Такой стремительный рост масштабного фактора до столь невероятно невообразимых масштабов автоматически решал ряд собственно физико-космологических парадоксов релятивистской космологии, связанных с эвклидовостью пространства, плотностью магнитных монополей, взаимодействием причинно несвязных пространственных областей Вселенной. «Идеология» этого решения лежит вполне в духе философии Николая Кузанского: на бесконечности (или невообразимо больших масштабах) всё кривое стремится к прямому (дугу бесконечного радиуса можно рассматривать как отрезок прямой), соответственно при таких масштабах плотность магнитных монополей уменьшается, а все впоследствии причинно несвязные области в момент 10^{– 43} с. были причинно связными. Кроме того, инфляционная космология предлагает и концептуальное решение основной проблемы релятивистской космологии, связанной с «материалом» из которого произошла наша Вселенная и причинами, вызвавшими её возникновение и дальнейшее расширение. Однако пока это только общая концепция, которая ещё очень далека от законченной физической теории.

320

Наан Г.И. Проблемы и тенденции релятивистской космологии // Эйнштейновский сборник. М., 1966. С. 339–372.

321

Фомин П.И. Гравитационная неустойчивость вакуума и космологическая проблема. Препринт ИТФ-73-137Р Киев, 130, ИТФ АН УССР. С. 9.

322

Глинер Э.Б. Алгебраические свойства тензора энергии-импульса и вакуумоподобные состояния вещества//ЖЭТФ. М., 1965. Т. 49. С. 542–548.

323

См. например: Чернин А.Д. Тёмная энергия и всемирное антитяготение // Успехи физических наук, 2008. Т. 178. № 3. С. 267–300.

324

Старобинский A.A. Спектр реликтового гравитационного излучения и начальное состояние Вселенной // Письма в ЖЭТФ. Т. 30. В. 11. С. 719–723.

325

Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М., 1990. С. 256.

326

Кроме вышеуказанной работы А.Д. Линде см. например: Долгов А.Д., Зельдович, Я.Б., Сажин М.А. Космология ранней Вселенной. М., 1988. 244 с., Kinney William Н. Cosmology, Inflation, and the Physics of Nothing // arXiv: astro- ph/0301448 vl, Brandenberger Robert H. Principles, Progress and Problems in Inflationary Cosmology // arXiv: astro-ph/0208103 vl, Thompson Gregory B. The picture of our universe: A view from modern cosmology // arXiv: astro-ph/0209504 v2., и множество других.