На пути к единой теории поля.

При исследовании электрических и магнитных явлений возникали многочисленные трудности и противоречия. Попытка снять эти противоречия привела к теории М.Фарадея, (находившегося, кстати, под влиянием натурфилософии Шеллинга) о существовании нового предмета физических исследований – непрерывной физической реальности, идея о среде, опосредующей взаимодействие между телами. Эта среда, непрерывная физическая реальность получила название «физическое поле». Фарадей открыл, таким образом, новую форму отдельного, конечного физического объекта, отличную от «атомарной», его формы. Если «атомарный» объект, отдельное тело имеет четкие пространственные границы, то поле является выражением иной формы конечности. Оно имеет пространственную определенность процесса, распространяющего в пространстве с течением времени. Поле – форма активной, динамической определенности, форма специфической отдельности, индивидуальности, позволяющей отказаться от идеи дальнодействия и ввести в физику концепцию близкодействия, локальности физических взаимодействий, сил.

Существенно, что идея о поле связывалась у Фарадея с идеей о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы. Находясь под влиянием философских взглядов Шеллинга, который развивал целостно-диалектических подход к пониманию природной реальности, Фарадей, углубил понимание связи магнитных и электрических явлений, исследовал химические превращения в электрической цепи, размышлял о превращении света в магнетизм, тяготения – в электричество и магнетизм.

Д.К.Максвелл, являясь сторонником идей Фарадея, переводит качественные соображения Фарадея на математический язык, т.е. создает математическое описание электромагнитных явлений на основе представлений о близкодействии – на основе формализма теории поля, как говорят физики. Он создает систему четырех уравнений, которые позволяют описать с единой точки зрения огромное множество электрических, магнитных и оптических явлений. Главное в понимании сути нового видения мира, создаваемого в полевых уравнениях Максвелла, заключается в том, что законы электрического и магнитного воздействия выражены в них не через силы, действующие между зарядами на расстоянии, а в терминах теории поля. Электрические и магнитные явления записывались в форме локальной связи (связи в малой окрестности произвольной точки пространства) между зарядами и токами (как формами классической отдельности, конечности) и электрической и магнитной напряженностями (выражающими суть новой формы отдельности, конечности), пространственные и временные изменения которых вызывали воздействие на другие заряды и токи.

С полным основанием А.Эйнштейн писал в статье, посвященной столетию со дня рождения Максвелла: «…до Максвелла физическая реальность, поскольку она должна представлять процессы в природе, мыслилась в виде материальных точек, изменения которых состоит только в движении, описываемом обыкновенными дифференциальными уравнениями. После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворных из тех, которые испытала физика со времен Ньютона».

Итак, теория Максвелла привела к коренному изменению физических концепций, отражающих реальность. Последняя стала описываться как в форме материальных точек, корпускулярных образований, так и в форме непрерывных полей, связывающих между собой материальные заряженные тела. Теория Максвелла, теория поля и механика Ньютона, как ясно из вышеизложенного, едины. Более того, сама экспериментально выделяемая определенность характеристик электромагнитного поля – напряженности электрического и магнитного полей – необходимо требует существования «пробного», «атомарного» тела, носителя заряда. С учением об электромагнитных явлениях в физические концепции проникает идея возникновения, становления: электрические и магнитные поля порождают друг друга. Описание физического мира приобретает черты процессуальности, в нем начинают отражаться черты возникновения новых отношений, что не было присуще статическому миру классической механики Ньютона.

Вместе с тем это были только первые попытки размывания классического физического мышления. Классическое аналитическое видение мира и связанный с ним аналитический метод исследования остаются доминирующими в полевой научной программе. Непрерывность и однозначность характеристик поля вкупе с определенностью поля как физического объекта лапласовско-детерминистического мира классической механики остаются неизменными. Все в мире непрерывных полей и локализованных корпускул остается однозначно определенным. Жесткая однозначная связь настоящего с будущим, равно как и прошедшего с настоящим, остается незыблемой. Вневременность мира физических явлений остается непоколебимой, ибо уравнения Максвелла инвариантны, неизменны, симметричны относительно замены параметра времени «t» на «-t». Можно сказать, повторяя Койре, что электродинамика есть теория становления без становления, в ней объективно-диалектический процесс возникновения нового не удерживается в мысли, в существующей системе понятийных средств. Опять мы вынуждены констатировать явное противоречие диалектической философии, диалектического мышления и второй величайшей научной системы – классической теории поля.

Выделим еще один важнейший аспект создания теории электромагнитного поля. В физике стала возникать полевая картина мира. Электромагнитное поле стало пониматься как первичная, ни к чему не сводимая реальность. Возникли попытки понять «атомы» вещества как своеобразные состояния полевой материи. Эти попытки столкнулись с принципиальными трудностями, природа которых в полной мере стала ясна после создания квантовой механики.

Одним из сторонников полевой картины мира являлся Эйнштейн, который до конца своих дней стремился построить единую теорию поля, которая охватила бы и квантовые процессы. Он отмечал компромиссный физических идей, при помощи которых делались попытки синтезировать программы, видения мира Ньютона и Максвелла. Эйнштейн писал: «Введение поля в качестве элементарного понятия приводит к непоследовательности теории как целого. Теория Максвелла, хотя описывает поведение электрически заряженных частиц… не дает теории самих частиц. Таким образом, они должны рассматриваться на основе старой теории как материальные точки. Комбинация идеи непрерывного поля с представлением о материальных точках, расположенных дискретно в пространстве, оказывается противоречивой. Последовательная полевая теория требует непрерывности всех элементов теории, и не только во времени, но также и в пространстве, причем во всех его точках. Следовательно, материальной точке как фундаментальному понятию нет места в полевой теории. Таким образом, даже если отвлечься от оставленного в стороне тяготения, электродинамику Максвелла нельзя считать полной теорией».

Итак, в физике возникли две взаимосвязанные физические теории, базирующиеся на совершенно различных представлениях о сути отдельного физического объекта, различных представлениях о физических формах конечности. Тем самым научно-теоретическая мысль (в который раз, начиная с Зенона) столкнулась с вечной проблемой соотношения дискретного, отдельного и непрерывного, бесконечно делимого. Апории Зенона, привлекавшие внимание ученых на каждом переломном этапе развития физики, показывают, что существующие в науке методы анализа пространства, времени и движения и существования отдельного объекта, внутренне противоречивы. В конце 19 в. эти апории приняли форму необходимости вскрытия характера связи различных форм конечности, отдельности, физической индивидуальности.

В чисто физическом плане проблемность понимания соотношения непрерывного и дискретного, соотношения различных форм конечности, отдельности проявилась в виде бесконечности электромагнитной энергии электрона. Более того, когда электрон удалось разогнать с помощью внешнего электрического поля до скорости, близкой к скорости света, то обнаружилось, что для электрона, движущегося с большой скоростью, законы ньютоновской механики перестают быть справедливыми. Объясняя взаимодействие быстродвижущегося электрона с электромагнитными полями, в том числе с тем, которые создаются им самим в процессе движения, физики пришли к необходимости признания зависимости массы электрона от скорости.

Предположение, что масса классически понимаемого физического объекта может зависеть от его скорости, произвело потрясение в мире ученых. Ведь в соответствии с ньютоновской картиной мира, обогащенной идеями Фарадея-Максвелла о реальности силового поля, масса считалась постоянной и неуничтожимой, абсолютно определенной. Идея об абсолютной определенности, неизменности массы является той идеей, которая позволяла понять все многообразие изменений в физическом мире. Более того, было доказано, что атом лишился своей вечности и неделимости. Вспомним в этой связи мысль Канта о том, что только сохраняющееся, неизменное изменяется. Поэтому стали возникать опасения, что фундамент, на котором построена физическая наука, не является надежным. Возникла острая необходимость перестройки фундамента физики.

Результатом такой перестройки явилось создание специальной теории относительности (СТО). СТО в определенной форме разрешила противоречие непрерывного и дискретного. Она привела к коренному изменению пространственно-временных представлений в физике. Возникло последовательно реляционное физическое понимание пространства и времени. Суть его можно выразить фразой - при отсутствии частиц и событий пространство и время теряют всякий смысл.

Развитие квантовых представлений показало, что задача состоит не в том, чтобы «примирить» частицы и поля, дискретное и непрерывное. Любые «частицы» и «поля» имеют двойственную природу, объединяя в себе как свойства корпускул, так и свойства волн. Однако при этом каждый из видов «волно-частиц» обладает своими индивидуальными свойствами, своими специфическими законами движения. У электрона эти законы другие, чем, например, у нейтрино или фотона. Открытие каждой новой «элементарной частицы» рассматривается в современной теории как обнаружение нового типа материи. По мере того как открывались новые частицы (а поскольку все частицы имеют и волновые свойства, можно сказать: новые типы полей), всё настоятельнее становилась потребность понять, почему их так много (сейчас уже более двухсот), объяснить их свойства и расшифровать, наконец, что означает само слово «элементарная» применительно к частице. Снова — уже на более высоком уровне — появились попытки единого описания материи.

Большую стимулирующую роль сыграла в этом отношении ОТО А. Эйнштейна. В этой теории и законы тяготения, и уравнения движения притягивающихся масс получаются как следствие общих законов, определяющих гравитационное поле. Общая теория относительности связывает гравитацию с геометрическими свойствами пространства-времени. В некоторых работах делались попытки более широкой «геометризации» теории, т. е. вводились такие гипотезы, касающиеся геометрии, которые позволили бы включить в рассмотрение и электромагнитные поля, а также учесть квантовые эффекты. Такой «геометрический» подход очень привлекателен, но пока в этом направлении существенно продвинуться не удалось.

Совершенно новый подход — его можно назвать модельным — ведёт своё начало от работ Л. де Бройля по нейтринной теории света. В этих работах предполагается, что фотоны — кванты света — представляют собой пары «слившихся» нейтрино (отсюда название — «теория слияния»). Нейтрино не имеет электрического заряда, его масса покоя равна нулю и спин равен ¹/₂. Сливаясь, два нейтрино могут образовать нейтральную частицу с нулевой массой и спином 1, т. е. с характеристиками фотона.

Нейтринная теория света, хотя и не свободная от недостатков, была первой в ряду моделей составных частиц. Среди них — модель, рассматривающая p-мезон как связанное состояние нуклона и антинуклона; модель, в которой все сильно взаимодействующие частицы строились из трёх фундаментальных частиц, и др.

Особенное распространение в последние годы получила модель кварков, предложенная впервые (1964) М. Гелл-Маном и Г. Цвейгом. Согласно этой модели, все сильно взаимодействующие частицы (мезоны, барионы, резонансные частицы) состоят из особых «субчастиц» с дробными электрическими зарядами — из кварков трёх типов, а также соответствующих античастиц (антикварков). Эта модель, оказавшаяся весьма плодотворной для систематики элементарных частиц и объяснившая ряд тонких эффектов, связанных с массами частиц, их магнитными моментами, и некоторые др. экспериментальные факты, резко снижает число претендентов на звание «истинно элементарных» частиц и, следовательно, в известной мере решает задачу единого описания материи. Однако теория ещё далека от необходимой ясности, равно как и эксперименту надлежит ответить на ряд кардинальных вопросов. Достаточно сказать, что кварки в свободном состоянии ещё не обнаружены и не исключено, что это невозможно в принципе. В этом случае кварковая модель потеряет свой смысл как составная модель.

Ещё до создания кварковой модели В. Гейзенберг (1957) начал развивать теорию, в которой за основу принимается универсальное единое поле, описываемое величинами, которые в математике называются спинорами; поэтому теория получила название единой нелинейной спинорной теории. В отличие от описанной выше теории слияния это фундаментальное, описывающее «материю в целом» поле не связывается непосредственно ни с какой реальной частицей. Второе существенное отличие основного уравнения теории Гейзенберга — нелинейность, отражающая взаимодействия фундаментального поля с самим собой. Математически это выражается в появлении в уравнении движения членов, пропорциональных не самой, описывающей поле величине, а отличной от единицы её степени. Как и в общей теории относительности, благодаря этой нелинейности уравнения движения реальных частиц должны получаться из основного уравнения. Из этого же уравнения должны вытекать значения масс, электрических зарядов, спинов и др. характеристик частиц. До сих пор ещё не доказана самосогласованность процедуры устранения бесконечностей в теории Гейзенберга. Вместе с тем количественные результаты, полученные в этой теории, кажутся обнадёживающими и общая программа нелинейной Единая теория поля продолжает считаться перспективной.

Кроме того, она должна объяснять существование те только всех элементарных частиц, но и объединять известные теории фундаментального взаимодействия. Первым шагом на пути к этому стало объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1967 году Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом. В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия. После чего появилось несколько вариантов теорий Великого объединения (наиболее известная из них — теория Пати — Салама, 1974 год), в рамках которых удалось объединить все типы взаимодействий, кроме гравитационного. Правда, ни одна из теорий Великого объединения пока не нашла подтверждения, а некоторые уже опровергнуты экспериментально на основе данных по отсутствию распада протона. Недостающим звеном в «теории всего» остается подтверждение какой-либо из теорий Великого объединения и построение квантовой теории гравитации на основе квантовой механики и общей теории относительности.

В настоящее время основными кандидатами в качестве «теории всего» являются теория струн, петлевая теория и теория Калуцы — Клейна. О последней подробней. В начале двадцатого века появились предположения, что Вселенная имеет больше измерений, чем наблюдаемые три пространственных и одно временное. Толчком к этому стала теория Калуцы — Клейна, которая позволяет увидеть, что введение в общую теорию относительности дополнительного измерения приводит к получению уравнений Максвелла. Благодаря идеям Калуцы и Клейна стало возможным создание теорий, оперирующих большими размерностями. Использование дополнительных измерений подсказало ответ на вопрос о том, почему действие гравитации проявляется значительно слабее, чем другие виды взаимодействий. Общепринятый ответ состоит в том, что гравитация существует в дополнительных измерениях, поэтому её влияние на наблюдаемые измерения ослабевает.

В конце 2007 года Гаррет Лиси предложил «Исключительно простую теорию всего», основанную на свойствах алгебр Ли. Несмотря на обнаруженные недостатки теории Лиси, она может открыть новое направление работ в области единых теорий поля.

Таким образом, Единая теория поля ещё не построена. Однако неразрывная связь между всеми частицами, универсальная взаимная превращаемость частиц, всё более явственно проявляющиеся черты единства материи заставляют искать пути перехода от современной квантовой теории поля, ограничивающейся констатацией многообразия форм материи, к единой теории, которая призвана это многообразие объяснить.