Бэттлер, Алекс. Диалектика силы

Подождите немного. Документ загружается.

вещь для них является общей: все они нуждаются в движущей силе, которая

приводит их в движение, так же как и работа человеческой руки, которая нуж-

дается в движении мускулов"

. Эту движущую силу он называл VIS VIVA

(жизненная сила). Проблема в том, что подобное объяснение, возможно, созна-

тельно упрощенное для слушателей (процитирована его лекция), искажает идею

силы. Сила не есть что-то отделенное от вещи/материи, вносящее в нее жизнь-

движение. Само движение уже есть проявленная сила вещи/материи.

Как бы то ни было, во второй половине XIX века слово "сила" стало заме-

няться словом "энергия", вокруг которого разгорелись жаркие споры: какой

термин в большей степени соответствует описанию сущности закона. Энгельс в

этой связи обрушился на Гельмгольца за неверное словоупотребление. Спор

имеет прямое отношение к нашей теме, поэтому есть смысл для начала дать

слово Гельмгольцу: "...Сила – это только объективированный закон действия...

Вводимое нами абстрактное понятие силы прибавляет к этому еще лишь мысль

о том, что мы не сочинили произвольно этого закона, что он представляет собой

принудительный закон явлений. Таким образом, наше требование понять явле-

ния природы, т.е. найти их законы, принимает иную форму выражения, сводясь

к требованию отыскивать силы, представляющие собой причины явлений"

На первый взгляд может показаться, что я в своих определениях силы в

предыдущей главе повторяю Гельмгольца. На самом деле это не так, и это "не

так" четко объяснено Энгельсом. Гельмгольц "попался" на выражениях "объек-

тивированный закон действия", чуть выше – "объективированный закон пре-

ломления света" и т.д. "Объективировать" законы посредством субъективного

представления, даже через категорию силы, невозможно, поскольку они объек-

тивны сами по себе, независимы от н ашего представления о них. Такое допуще-

ние со стороны Гельмгольца сближало его с Махом и Авенариусом в единой

концепции эмпириокритицизма, блестяще раскритикованного в свое время Ле-

ниным в работе "Материализм и эмпириокритицизм".

Энгельс, иронизируя над беспричинным употреблением слова "сила", пред-

почитал говорить об энергии применительно к закону сохранения. Он полагал,

Helmholtz, ibid.

Цит. по: МЭ, т. 20, с. 402–403.

что слово "сила" лучше подходит только к земной механике, этой единственной

науке, "в которой действительно знают, что означает слово 'сила'" (там же,

с.404). Возможно, Энгельс был прав, отдавая предпочтение слову "энергия" в

законе сохранения энергии, поскольку энергия фактически является суммой

всех притяжений во Вселенной, равной сумме всех отталкиваний, т.е. является

количественным проявлением космической силы, или космобией. Уже вслед-

ствие своего проявления энергия является внешней по отношению к силе, а их

диалектическое взаимодействие строится по принципу сущности и явления.

Можно и по-другому: сила стала являть себя в облике энергии, т.е. в некоторых

закономерностях природы ее удобнее называть энергией.

И все же термин "сила" оказался настолько притягательным, что он стал

ключевым в квантовой физике.

Известно, что современная наука в описании неорганической природы опе-

рирует четырьмя фундаментальными взаимодействиями четырех сил. Два из

них – дальнедействующие силы; это ультраслабые гравитационные силы, кото-

рые действуют между всеми частицами, имеющими массу, и электромагнитные

силы, действующие между всеми частицами, имеющими электрический заряд.

Два других близкодействующих взаимодействия сил относятся к сфере кванто-

вой физики: это силы слабого взаимодействия между элементарными частицами

(например, лептонами) и силы сильного взаимодействия (протоны, нейтроны,

пионы). Относительная мощность этих четырех сил определяются следующими

параметрами: сильные – 1, электромагнитные –

−

, слабые –

−

, гравитаци-

онные –

−

Все эти силы пытаются объединить в Великую единую теорию (the grand

unified theory)

. Иначе говоря, требуется создать единую теорию для объедине-

ния всех видов сил, действующих в цепочке: космос-атом-ядро-частица.

Определенные успехи на этом пути уже достигн уты. В 1971 г. американ-

скими физиками С. Вайнбергом и Ш. Глэшоу, а также пакистанцем А. Саламом

удалось объединить квантовую электромеханику с теорией слабого взаимодей-

ствия сил, создав теорию электрослабого взаимодействия. (За это все они удо-

Между прочим, пионером в попытках создания Единой теории всего на основе "закона сил"

был иезуит сербско-хорватского происхождения Роджер Боскович. Эта теория была у него из-

ложена в его "Theoria Philosophiae Naturalis", опубликованной в Вене в 1758 г. О нем и его те о-

рии см.: Barrow, John D., Theories of Everything. The Quest for Ultimate Explanation, р. 17–19.

стоились Нобелевской премии.) В 1980 г. она получила экспериментальное под-

тверждение в Европейской лаборатории ядерных исследований (СЕРН, Женева).

Следующий этап – объединение их теории с силами сильного взаимодей-

ствия. Ученые допускают такую возможность, но сомневаются в отношении

гравитационных сил

. Мне представляется, создание такой теории в принципе

возможно, если исходить из концепции о Вселенной как целостности, а значит,

некоторой упорядоченности, которая возможна только при наличии устоявших-

ся закономерностей во взаимодействиях между всеми ее частями.

2. Большой взрыв, или Теория всего

В свое время в Советском Союзе теория Большого взрыва была восприн ята

крайне неоднозначно. Ортодоксальные марксисты усмотрели в ней угрозу "веч-

но существующей материи", поскольку теория предполагает "рождение и

смерть вселенной"

. По иным причинам она была негативно воспринята и рядом

западных ученых. В качестве альтернативной концепции Томми Голд, Герман

Бонди и Фред Хойл

выдвинули свою теорию – теорию "устойчивого состояния

Вселенной" (1948), которая утверждала, что Вселенная всегда была такой, какой

она есть,

и будет пребывать в "устойчивом состоянии"

. Однако по мере посто-

янно подтверждающихся фактов именно о расширении Вселенной сторонники

"устойчивости" оставались в меньшинстве.

Ныне теории Большого взрыва, в той или иной модификации, придержива-

ется большинство физиков, в том числе и в России (например, академики В. Л.

Гинзбург и В. А. Рубаков). В советские времена ее активно отстаивал И.С.

Шкловский, который даже расписал, каким образом и в каких формах Вселен-

ная погибнет

. Дискуссии на эту тему, однако, не прекращаются до сих пор.

Я здесь не касаюсь попыток объединения первых трех сил с силами гравитации в 5- и 6-

мерных пространствах.

Эта теория была подвергнута критике в бесчисленном количестве работ, в том числе и западных

марксистов. Для примера см.: Холличер Вальтер. Природа в научной картине мира.

Любоптыно, что именно Хойл в начале 50-х годов ввел в научный оборот словосочетание

"Большой взрыв".

Подр. см.: Паркер Барри. Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения вселенной, с.

224–230.

Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум, с. 96–99.

При этом надо особенно подчеркнуть, что это не простые дискуссии по той

или иной научной проблеме. Дискутанты претендуют на теории, объясняющие

появление всего бытия. Не случайно их книги обычно называются "Теория все-

го". Не известно, кто первый ввел это словосочетание. Возможно, Стивен Хо-

кинг, поскольку он лет 25 назад уверял, что вот-вот такая теория будет создана.

Он и сейчас не теряет оптимизма, говоря, что лет через 10 она все-таки будет

сконструирована. Я еще вернусь к вопросу о возможности или невозможности

создания такой теории, а пока, не вдаваясь в сверхспецифические детали, рас-

смотрим несколько моделей образования Вселенной.

Стандартная модель космологии. Теоретически ее обосновал советский фи-

зик Александр Фридман, практически ее подтвердил американец Эдвин Хаббл,

а систематизаторами концепции стали физики Говард Робертсон и Артур Уокер.

Стандартная модель повествует, что примерно 15 млрд лет назад (по уточнен-

ным данным, 13,7 млрд) из некого сингулярного состояния материи произошел

Большой взрыв, который прошел ряд "эпох"

, или фаз. Температура Вселенной

через

−

с (так называемое планковское время) после взрыва (далее ПВ) до-

стигла

К. Через некоторое время Вселенная расширилась и охладилась, в

результате чего возникли первичные однородности, например, первичная кос-

мическая плазма – хаотичное движение фундаментальных частиц: кварки и

глюоны. Через стотысячные доли секунды ПВ материя охладилась (около 10

трлн К) до уровня, чтобы глюоны соединили кварки в протоны и нейтроны (а

также их античастицы). Через сотые доли секунды создались условия для фор-

мирования нуклонов некоторых легких элементов. Затем кипящая Вселенная

охладилась до миллиарда градусов; появились ядра водорода и гелия наряду со

следами дейтерия ("тяжелый" водород) и лития. Этот процесс назван первич-

ным нуклеосинтезом

. Затем после понижения температуры до нескольких ты-

сяч градусов ядра водорода и гелия могли соединиться со свободно текучими

электронами, образовав первые электрически нейтральные атомы. Это был по-

У Паркера они обозначаются следующим образом: эпоха хаоса, затем – эпоха адронов (

−

с),

эпоха лептонов (

−

с), эпоха излучения (20 с), эпоха галактик (

лет). – Паркер, с. 192.

Подр. см.: Weinberg, S., The Three Minutes.

воротный момент – с этого времени Вселенная стала прозрачной.

До эры захвата электрона Вселенная была наполнена плазмой электрически

заряженных частиц: некоторые с положительным зарядом – как ядра, некоторые

с отрицательным – как электрон. Фотоны, которые в заимодействуют только с

электрически заряженными объектами, подвергались непрерывным ударам со

стороны толстого слоя заряженных частиц, изменяя их направление или вынуж-

дая абсорбироваться. Барьер из заряженных частиц на пути свободного движе-

ния фотонов мог бы сделать Вселенную почти непрозрачной, напоминающую

утренний смог или видимость в снежную бурю. Но когда отрицательно заря-

женные электроны вышли на орбиту положительно заряженных ядер, создавая

электрически нейтральные атомы, заряженные помехи исчезли и плотный смог

испарился. С этого времени фотоны, появившиеся во время Большого взрыва,

начали беспрепятственно путешествовать, и Вселенная стала видимой. Прибли-

зительно через миллиард лет (некоторые считают, что через несколько сотен

миллионов лет) появились звезды, планеты и галактики. Такова одна из версий

Стандартной модели

Естественно, в ней оказалось много неясностей, например, та же самая син-

гулярность – что это такое? И что было до планковского времени?

Инфляционная модель. К концу 1970-х годов появилась первая инфляцион-

ная модель (без самого слова "инфляция"), автором которой был советский уче-

ный Алексей Старобинский. Она представляла очень сложную конструкцию,

опирающуюся на квантовую теорию гравитации. Однако до Запада эта модель

не дошла. Но здесь была разработана аналоги чная модель, причем в более

упрощенном виде. Представил ее Алан Гут из Массачусетского технологиче-

ского института. Его модель раздувающейся Вселенной сделала упор на период

между

−

с. По мнению Гута, в этот период времени Вселенная нахо-

дилась в состоянии "псевдовакуума", при котором его энергия была исключи-

тельно высока. Именно в это время происходит чрезвычайно быстрое расшире-

ние Вселенной (значительно быстрее, чем в Стандартной модели). Ко времени

Существует несколько вариантов Стандартной модели, но они разнятся только в деталях.

Например, см.: Delsemme, Armand, Our cosmic origins. From the Big Bang to the Emergence of Life

and Intelligence, 289–291.

−

с ПВ Вселенная не содержит ничего, кроме черных мини-дыр и "остров-

ков" пространства. Поэтому при резком раздувании образовалась в виде "пузы-

рей" или пены не одна вселенная, а множество, причем некоторые, возможно,

были вложены друг в друга. Каждый из участников "пузыря" превращался в от-

дельную вселенную, и мы живем в одной из них

Эту концепцию иногда называют концепцией "аневризма" (в медицине ане-

вризмом называется выпячив ание стенки кровеносного сосуда), согласно кото-

рой на определенной трехмерной искривленной поверхности пространство-

время выпячивается, словно опухоль, и в конечном счете отщепляется от "мате-

ринской" Вселенной, образуя новую.

Эта теория оказалась более привлекательной. Но и она стала дополняться и

уточняться, в частности, российским ученым Андреем Линде, ныне работаю-

щим в Стэнфордском университете. Его идея состоит в том, что Вселенная бес-

конечна во времени и пространстве (чувствуется марксистская школа). Следо-

вательно, инфляционное расширение не является одноразовым временным дей-

ствием. Условия для инфляционной экспансии могут случаться многократно в

изолированных пространствах в космосе, которые зачинают собственные ин-

фляционные "п узырения", превращаясь в новые, отдельные вселенные. И в каж-

дой из этих вселенных процесс продолжается с новыми вселенными, которые

отпочковываются от старых регионов, генерируя никогда не кончающуюся пау-

тину "пузырений" в космической протяженности. Эту теорию можно было бы

назвать концепцией Малтивселенной, т.е. состоящий из множества вселенных

(теоретически бесконечное количество). В этой связи можно предположить, ес-

ли такая версия подтвердится, тогда в каждой из вселенных могут существовать

собственные законы, отличающиеся от законов нашей Вселенной

Модель суперструн. В настоящее время наибольшей популярностью пользу-

См.: Guth A., "The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems",

Physical Review (1981), D 23 347; Guth A. and Steinhardt P., "The Inflationary Universe", Scientific

American (May 1984); Guth, Alan. The Inflationary Universe.

Linde A., "The Universe: Inflation Out of Chaos," NewScientist (March 1985); "Particle Phisics and

Inflationary Cosmology" Scientific American (March 1992); Barrow, р. 168-169.

ется теория суперструн

, постулирующая, что фундаментальными составляю-

щими природы являются не частицы с 0-мерностями, а тонкие одномерные во-

локна, названные струнами (strings). В конце 1980-х годов Роберт Бранденбер-

гер из Брауновского университета и Кумран Вафа из Гарвардского университета

предложили рассмотреть такой вариант.

Если мы повернем часы назад к Началу, то температура будет повышаться,

пока Вселенная не достигнет длины Планка (

−

см) по всем направлениям. В

этот момент температура при близится к максимуму, после чего начнет падать.

Для простоты надо представить, что все пространственные измерения во Все-

ленной являются круговыми (кольцевыми). Когда мы поворачиваем время назад,

радиусы этих кругов уменьшаются, а температура Вселенной увеличивается.

Однако в районе планковской длины, т.е. максимальной температуры, все ради-

усо-мерности исчезают, а затем как бы возникают вновь, увеличиваясь в разме-

рах. С этого момента температура начинает падать, а Вселенная быстро расши-

ряться. Иначе говоря, "хаос" (по классификации Паркера) переходит в планков-

ские координаты (планковское время и длина) – и это самый критический мо-

мент в развитии Вселенной. Далее развитие идет по накатанной Стандартной

модели.

Кроме того, все пространственные измерения в Теории струн плотно свер-

нуты в многомерный планковский кусок (Nugget), который приближенно равен

планковской длине. Температура и энергия громадны, но не бесконечны, по-

скольку струнная теория избегает головоломной сингулярности. Когда Вселен-

ная начинает проходить свою первую фазу нарушения симметрии, около план-

ковского времени, три пространственных измерения отделяются и начинают

расширяться, в то время как другие сохраняют свои планковские размеры

. Эти

три пространственных измерения затем и обнаруживают себя в инфляционных

космических сценариях.

Следует подчеркнуть, что эта теория в свое время была весьма положитель-

Не путать с моделью Космических струн, в соответствии с которой в ранней Вселенной суще-

ствовали протяженные объекты – струны (толщиной в

−

см и массой

г на см), на ко-

торые затем как бы н аворачив ались или накручивались вещества, вп оследствии сформ ировав-

шие тела типа галактик. Это модель в связи с новыми исследованиями анизотропного реликто-

вого излучения подвергается большим сомнениям.

По версии Бранденбергера и Вафа остальные измерения сворачиваются в пространство Кала-

би-Яу (Calabi-Yau). Они также объясняют, почему удалось выскочить только трем измерениям.

но воспринята Стивеном Вайнбергом, полагавшим, что она может явиться базой

для "конечной теории, и что эта теория сможет обладать такой предсказатель-

ной силой, которая позволит описать качества всех констант природы, включая

космологическую константу"

С такой оценкой Вайнберг, возможно, поторопился, поскольку эта теория

хорошо объясняет возникновение трех сил (сильных, слабых и электромагнит-

ных), но не силы гравитации. Попытки объяснить появление всех сил ныне

предпринимаются на базе модифицированной Теории струн, которая получила

название М-теории (с ее 11 измерениями)

. Она находится еще в зачаточном со-

стоянии, но уже н азвана началом второй суперструнной революции. Ее начали

разрабатывать с 1995 г.

, а после 2000 г. у нее появилось довольно много при-

чудливых разновидностей, об одной из которых нельзя не сказать.

Ее разработчиками является команда астрофизиков, состоящая из Джустин

Хоури, Пола Стейнхардта – оба из Принстонского университета, Бэрта Оврата

из Пенсильванского и Нейла Турока из Кэмбриджа (Англия). Их разновидность

М-теории назвается концепцией "Воспламеняющейся Вселенной" (Ekpyrotic

Universe), или "циклической моделью", которая не нуждается ни в инфляцион-

ной фазе, ни в син гулярности. Она строится на допущении существования мно-

гомерной Вселенной, в которой нет ни вещества, ни энергии, а есть лишь трех-

мерные "мембраны" как некие топологические объекты, движущиеся в про-

странстве и времени. В какой-то момент, когда одна мембрана сталкивается с

другой, "квазистатическое состояние" нарушается. Энергия столкновения ока-

зывается столь громадной, что Вселенная наполняется, точнее, "зажигается",

горячим веществом, частицами и энергией. Такое столкновение и является

Большим взрывом. Наша Вселенная приобретает трехмерное измерение (по-

скольку они, измерения, как бы расположены на поверхности мембран). Другие

мембраны с оставшимися измерениями продолжают существовать, пока две из

них не столкнутся между собой, произведя очередной Большой взрыв, который

и происходит через каждые несколько триллионов лет. И так без конца. Следо-

Weinberg, Steven, Dreams of a final theory, р. 183.

В названии М-теории "М" означ ает "мистика", что нам екает на мн ожество н еясностей в и зуче-

нии проблем, с которыми эта теория сталкивается.

Подр. см.: Greene, Brian, The Elegant Universe. Еще более подр. см. его же The Fabric of the

Cosmos. Space, Time and the Texture of Reality.

вательно, у такой Вселенной нет начала. Данная версия как бы снимает не толь-

ко упомянутые проблемы, но и проблему уникальной поскосности Вселенной,

изотропность реликтового излучения и т.д.

Эта концепция встретила бурную

контрреакцию со стороны команды А. Линде

, хотя другие, не менее уважаемые

космогонисты относятся к ней доброжелательно. Спорщики предполагают, что

где-то в 2006 г. или чуть позже, после одной из космических программ НАСА,

появятся необходимые результаты, которые помогут решить правоту той или

иной концепции.

Здесь коротко изложены некоторые теории происхождения Вселенной

. Обо

всех этих теориях и версиях написаны тысячи книг. Но при всем разнообразии в

них поднимаются всего несколько фундаментальных вопросов: что такое син-

гулярность, в чем причина взрыва и что нас особенно интересует: были ли зако-

ны силы изначально заложены в сверхплотное вещество или в тот же "планков-

ский кусок" либо они сформировались после взрыва? Попробуем разобраться.

3. Сингулярность vs. вакуум

Под термином "сингулярность" понимается такое состояние вещества, в ко-

тором бесконечные гравитационные силы сжимают массу вещества до ее беско-

нечной плотности. Считается, что такое состояние существует в центре Черных

дыр. В таком же состоянии находилась и Вселенная до взрыва, т.е. в состоянии

бесконечной плотности, когда "свойства вещества не известны". Другими сло-

вами, в этом состоянии не существует п ространства и времени. Вместе с тем

имеется в виду, что это сверхплотное вещество состоит из протонов и нейтро-

нов. Известно, что протоном является элементарная частица с единичным по-

ложительным электрическим зарядом и спином в 1/2 (в ед.



), он относится к

классу адронов и входит в группу барионов. Его предсказуемое время жизни на

Подр. см.: Khoury J., Ovrut B.A., Steinhardt P.J. and Turok N., “The Ekpyrotic Universe: Colliding

Branes and the Origin of the Hot Big Bang,” hep-th/0103239; A Brief Comment on “The Pyrotechnic

Universe,” arXiv:hep-th/0105212 v1 22 May 2001; NewScientist ( 20 March, 2004):37.

См.: Kallosh R., Kofman L. and Linde Andrei. Pyrotechnic Universe, arXiv:hep-th/0104073 v3 29

June 2001.

Не могу не удержаться, чтобы не упомятнуть еще одну причудливую теорию – Теорию кван-

товой гравитации петли (Loop quantum gravity theory), разработчи ки которой построили модель

перехода, точнее перескока, как бы из одной Вселенной с отр ицательны м временем в нашу Все-

ленную с положительным временем через некий портал, тем самым проскочив и сингулярность,

и инфляцию, и прочие проблемы более ранних теорий. См.: NewSience, 20 March, 2004, p. 35-37.

20–22 порядка превышает возраст Вселенной, т.е.

3230

1010 −

лет. Сторонники

Стандартной теории Большого взрыва, например известный астрофизик С. Хо-

кинг, указывают, что "законы физики должны нарушаться возле сингулярного

состояния"

. В своей теории он совместно с Р. Пенроузом показали, что за гори-

зонтом событий всегда присутствует сингулярность и что там возникает "конец",

или "граница", пространства и времени. А в одном из своих выступлений Хо-

кинг заявил, что окончательной теории Вселенной вообще может не существо-

вать. С позиции физика, может быть, он и прав. Но как отмечает другой ан-

глийский астрофизик из Кембриджа, Джон Бэрроу, о структуре начальных

условий Вселенной в се-таки можно рассуждать, хотя "только на уровне фило-

софии или теологии" (там же, p. 52). Попробуем.

Из приведенных рассуждений сразу бросается в глаза, что не исключается

вероятность существования вещества/материи без пространства и времени, но с

внутренне присущей ей силой. Возможно ли такое?

Я полагаю, что это невозможно в принципе, поскольку вещество, движение,

пространство, время и сила – суть едины. На самом деле это не "конец" времени

и пространства, а конец нашего понимания данного состояния вещества. Из-

вестные нам теории и законы не могут объяснить это уникальное явление, мы

пока не проникли в его суть.

Попробуем зайти с другой стороны. Российский академик, астрофизик, В.

Рубаков, определяя сингулярность как состояние с бесконечно большими плот-

ностями и бесконечной кривизной пространства, полагает, что вообще-то тако-

вой точки не было

. Откуда тогда взялась Вселенная? Он приводит один из

распространенных вариантов ответа: рождение Вселенной из ничего. "То есть

когда-то не было ни одной Вселенной, но тем не менее она могла каким-то об-

разом возникнуть, образоваться квантовым образом". Объяснение этому может

дать теория квантовой гравитации, которой пока нет. Рубаков, однако, как и

многие другие, обычно говорят и пишут о том, что в рамках такой теории при-

дется отказаться от "времени", поскольку в областях меньше

−

секунды по-

сле Большого взрыва "многие представления перестают работать". Возможно,

Hawking, Stephen, A Brief History of Time. From the Big Bang to Black Holes, р. 8–9.

НГ-наука, 03. 06. 1998.