Основания фундаментальной физики как актуальная исследовательская проблема
В данной статье хочу поделиться с читателями мнением о важности изучения на нашем факультете оснований фундаментальной физики. Особенно меня беспокоит отсутствие интереса к этому разделу физики у студентов нашего факультета. Это чрезвычайно важный раздел современной физики, который должен активно развиваться в стенах физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. В былые времена это направление развивалось в группе профессора Д.Д. Иваненко, в трудах академика И.Е. Тамма, профессора А.А. Власова и других известных профессоров физического факультета МГУ.
Это особенно важно в связи с созревшими ныне предпосылками для очередного существенного пересмотра представлений о физической реальности. Судить об этом мне позволяет более чем 60-летнее участие в исследованиях этой проблемы, начиная с участия в работе семинаров профессора Д.Д. Иваненко и анализа трудов классиков фундаментальной физики.
Постараюсь кратко пояснить сложившуюся ситуацию в фундаментальной теоретической физике. Ныне в ней выявилось наличие трех парадигм, в рамках которых производятся исследования. Их можно пояснить, исходя из представлений о сути второго закона Ньютона ma=F, содержащего характеристики трех ключевых категорий классической физики: 1) пространства-времени (ускорение а), 2) частиц (тел) (масса m), помещенных в пространство и время, и 3) сил (F), точнее, полей, посредством которых осуществляются взаимодействия.
В ХХ веке осознанно или не очень физики стремились к уменьшению числа ключевых категорий. Стремились к всеединству, но в ХХ веке удалось сократить их число до двух, причем тремя способами, объединяя различные пары в единую обобщенную категорию, сохраняя независимой третью. Так оказались сформированными три дуалистические парадигмы: теоретико-полевая (ныне доминирующая), геометрическая и реляционная.
Мне выпало, вслед за профессорами Д.Д. Иваненко и М.Ф. Широковым, в течение многих лет читать на физическом факультете лекции по классической теории гравитации. С полным основанием могу утверждать, что эта теория содержит не только теорию гравитации. Она представляет собой геометрический взгляд на всю физическую реальность. В ней категории пространства-времени и полей объединяются в единую категорию искривленного пространства-времени. В общей теории относительности нет отдельно пространства-времени и отдельно гравитационного поля, а вместо них вводится искривленное пространство-время. В рамках 5-мерной теории Калуцы геометризуется и электромагнитное поле, а в теориях более высокой размерности геометризуются также поля переносчиков электрослабых и сильных взаимодействий. При этом третья категория — частиц (тел) — считается независимой, вносится в правую часть уравнений типа Эйнштейна.
Большинство курсов теоретической физики, читаемых на физическом факультете МГУ и в других вузах, посвящены изложению квантовой механики, квантовой теории поля или квантовой теории элементарных частиц. Они читаются в рамках теоретико-полевой парадигмы, где как частицы, так и поля переносчиков взаимодействий объединяются в обобщенную категорию поля амплитуды вероятности, определенную на фоне независимой третьей категории — классического пространства-времени.
Но есть третья парадигма — реляционная, — основанная на объединении категорий пространства-времени и частиц (тел) в категорию отношений. Идеи этой парадигмы были заложены в трудах Г. Лейбница, Э. Маха и ряда других мыслителей прошлого. Известно, что Лейбниц, обращаясь к сторонникам взглядов Ньютона (в письмах к Кларку), ставил вопрос: останется ли пространство, если из него убрать тела? Ньютон считал пространство (и время) абсолютными. Кстати, и сейчас большинство считает так же, а Лейбниц полагал, что в этом случае пространство теряет смысл. Так же считал и Э. Мах. О нем А. Эйнштейн писал: — Мах в девятнадцатом столетии был единственным, кто серьезно думал об исключении понятия пространства, которое он пытался заменить представлением о всей сумме расстояний между всеми материальными точками». Историки физики напоминают, что Эйнштейн, создавая общую теорию относительности, руководствовался реляционными идеями Маха и даже возвел часть их в ранг принципа Маха. Но затем, когда понял, что созданная им теория на самом деле оказалась основанной на иных принципах, он отрекся от идей Маха.
В настоящее время созрели условия для возрождения реляционных идей. Об этом все чаще высказывается ряд физиков, в том числе К. Ровелли, Ли Смолин, Б. Грин и другие. Более того, сейчас высказывается мысль, что главной проблемой фундаментальной теоретической физики XXI века является вывод понятий классического пространства-времени из более глубоких принципов, присущих физике микромира, — того, что Дж. Уилер называл предгеометрией. О важности этой проблемы писали Р. Пенроуз, Д. Ван Данциг, Е. Циммерман и другие авторы. В нашей стране сторонниками реляционной парадигмы были Я.И. Френкель, И.Е. Тамм, Г.В. Рязанов и некоторые другие физики.
Что долгое время препятствовало развитию реляционных идей? Не хватало подходящего математического аппарата, адекватного идеям реляционной парадигмы. Ныне такой аппарат создан. В последней трети ХХ века его основы были заложены в трудах Ю.И. Кулакова, выпускника физического факультета МГУ. Его руководителем в аспирантуре физфака МГУ был академик И.Е. Тамм, который, ознакомившись с идеями своего ученика, высоко их оценил и предсказал им большое будущее. Эта теория Кулаковым была названа теорией физических структур, хотя правильнее ее назвать «теорией систем отношений».
В наших работах эта теория была обобщена на случай бинарных систем комплексных отношений, пригодный для реляционной переформулировки содержания физики микромира. Эта теория опирается на следующие три составляющие: 1) реляционное понимание природы пространства-времени (как системы отношений между материальными объектами), 2) описание физических взаимодействий на базе концепции дальнодействия (без априорно заданного пространства-времени понятие поля теряет смысл) и 3) принцип Маха (обусловленность наблюдаемых свойств окружающего мира глобальными свойствами всей Вселенной). Отмечу, что все эти принципы противоречат общепринятым представлениям.
Уже проведенные исследования с использованием математического аппарата теории систем отношений вскрывают принципиально иной взгляд на многие проблемы современной физики, существенно отличающийся от общепринятых, причем это относится как к физике микро-, так и макромира. К их числу можно отнести следующие.
1) Обосновывается новый взгляд на интерпретацию квантовой механики. На реляционных принципах строится теория атомов, не опирающаяся на понятия классического пространства-времени и на общепринятые в квантовой механике уравнения Шредингера, Клейна — Фока или Дирака.
2) Показано, что физические взаимодействия более первичны, нежели пространство-время, ныне самым существенным образом используемое для их введения в виде калибровочных теорий. Разные виды физических взаимодействий определяются минимальными рангами бинарных систем комплексных отношений.
3) В рамках реляционного подхода строится теория электрогравитации, в которой осуществляется неразрывное единство электромагнитных и гравитационных взаимодействий, чего стремились добиться создатели геометрической парадигмы: Г. Вейль, А. Эддингтон, сам Эйнштейн и другие. В этой теории гравитация предстает как своеобразное проявление электромагнетизма. Этот результат позволяет под новым углом зрения взглянуть на причины многолетних неудач в решении проблемы квантования гравитации.
4) Открывается новый взгляд на проблемы космологии и релятивистской астрофизики. В частности, предлагается иная интерпретация космологического красного смещения и тем самым ставится под вопрос ныне общепринятые представления о так называемом Большом взрыве. Известно, что сам Эйнштейн отвергал эту гипотезу и строил статическую космологическую модель. Известно также, что Леметр (аббат и физик) заявил Эддингтону, что космологические решения уравнений Эйнштейна (типа Фридмана) подтверждают Библию (о начале мира, которое можно считать творением Бога). Эддингтон тогда на это заявил, что его идея отвратительна.
Замечу, что мои учителя (профессор Д.Д. Иваненко и в какой-то степени академик В.А. Фок) резко возражали против неограниченного распространения выводов общей теории относительности как в микро-, так и в мегамир. Так, Фок писал: «Вообще любая физическая теория — пусть это будет даже теория тяготения Эйнштейна — имеет предел применимости, и неограниченно экстраполировать ее нельзя. Рано или поздно становится необходимым введение существенно новых физических понятий». Видимо, в отечественном научном сообществе возобладали взгляды академика Я.Б. Зельдовича и представителей группы Л.Д. Ландау, выступавших за неограниченную применимость общей теории относительности Эйнштейна.
Все эти вопросы обсуждаются на нашем еженедельном научном семинаре «Основания фундаментальной физики», продолжающем традиции семинара профессора Д.Д. Иваненко. Он регулярно работает на факультете на протяжении более 40 лет. В работе семинара, как правило, участвуют 30–40 человек из разных учреждений Москвы (и других городов). Однако, к сожалению, среди участников практически нет студентов нашего факультета. Когда мы учились, на заседаниях семинара Иваненко присутствовало немало студентов. В 50–60-е годы посещение студентами научных семинаров было обязательным.
В заключение отмечу, что история обсуждения идей фундаментальной теоретической физики в нашей стране (и за рубежом) в ХХ веке была изложена в серии из 6 моих книг под общим названием «Между физикой и метафизикой». Мысли выдающихся мировых мыслителей о природе и свойствах пространства и времени от античности до наших дней изложены в сборнике «Природа пространства и времени (Антология идей)». В ряде книг и статей изложены результаты наших исследований в рамках реляционной парадигмы. Последние результаты можно найти в двух моих книгах, изданных уже
в 2021 году под общим названием «Реляционная картина мира».
Кроме того, отмечу, что уже в марте этого года в издательстве УРСС была переиздана (с обширным моим предисловием) книга Э. Маха «Познание и заблуждение», незаслуженно раскритикованная В.И. Лениным в его произведении «Материализм и эмпириокритицизм» в пылу борьбы со своими оппонентами в рядах Российской социал-демократии в самом начале ХХ века. По этой причине эта книга в прошлом веке была изъята из отечественных библиотек, в том числе и из библиотеки физфака МГУ.
Все указанные книги были переданы в библиотеку физического факультета МГУ.
Профессор Ю.С. Владимиров,
кафедра теоретической физики