Для его разрешения Поль Дирак в 1930 г. предложил свое знаменитое релятивистское уравнения электрона, которое оказалось симметричным относительно знака электрического заряда: наряду с отрицательно заряженными электронами оно предполагало положительно заряженные частицы той же массы, что и электроны. Дирак назвал их антиэлектронами. Так впервые была высказана идея о существовании античастиц. Дирак вначале думал, что античастицей электрона являются протоны, поскольку других положительно заряженных частиц с массой, близкой массе электрона, не было известно. Но уже в 1932 г. американский физик Карл Дейвид Андерсон открыл позитроны, так что идея Дирака получила блестящее подтверждение.
Открытие Дирака было первым шагом на пути к синтезу КМ и СТО. Свое завершение этот синтез нашел в квантовой теории поля и в стандартной модели физики элементарных частиц.
Очевидно, здесь мы снова имеем все необходимые структурные элементы новой модели - модели синтеза. Обнаружение противоречия между основными принципами двух теорий, в данном случае между КМ и СТО; поиски ошибки, ответственной за это кажущееся противоречие (она состояла в том, что предполагалось, что отрицательные решения уравнения Дирака не могут быть интерпретированы рационально, т.е. не учитывалась возможность существования античастиц); затем открытие античастиц и, наконец, синтез двух теорий. Так же, как и в двух предыдущих примерах, в данном случае принципы двух конфликтующих теорий не отбрасываются, а сохраняются.
А.А. Парамонов: - Не могу не признать, что предложенный Вами анализ этих коллизий из истории науки убедительно демонстрирует продуктивность стратегии синтеза. Но мне кажется, что в предложенном рассмотрении ушел в тень один чрезвычайно важный аспект, характерный для процесса развития научного знания. Так, Вы упоминали об ошибках понимания учеными исследуемых ими явлений, которые обнаруживаются и исправляются в процессе согласования теорий. И именно исправление этих «ошибок» выходит на первый план, когда рассматривается развитие науки с точки зрения стратегии синтеза, и, как представляется, составляет существеннейший элемент развития знания и его кумулятивного роста. Но мне кажется, что здесь стоит обратить более пристальное внимание и на сами эти, обнаруживаемые при попытке синтеза одной теории с другой теорией, «ошибочные» представления и проанализировать их роль в становлении знания в их изначальной, оказавшейся лишь в дальнейшем «ошибочной», форме.
Вернусь к первому из проанализированных Вами примеров и немного дополню представленную картину.
Как известно, Кеплер формулирует три закона, или, как он их называет, «правила» движения планет по своим орбитам. Он приходит к ним не сразу, кропотливо анализируя данные астрономических наблюдений Тихо Браге и делая различные предположения.
Принципиальный поворот, который совершает в своем исследовании Кеплер, и который как раз и приводит его впоследствии к открытию этих законов, состоит в том, что он вводит представление о силе, которая вовлекает тела в движение по своим орбитам. Представление о такой силе, с точки зрения последующего развития физики, - неверное.
Но здесь в игру вступают исторические обстоятельства. Дело в том, что в основу модели мира, сформулированной в свое время Коперником, было положено представление о равномерном движении Земли по так называемой Великой орбите (orbis magnus) вокруг некого центра мира См., напр.: Barbour J. B. The Discovery of Dynamics. A study from a Machian point of view of the discovery and the structure of dynamical theories. Oxford: Oxford University Press, 2001. P. 264-351.. Все остальные планеты, в том числе и Солнце, должны были, по мысли Коперника, вращаться вокруг этого центра orbis magnus, движимые Божественной волей. На диаграммах, которыми Коперник объяснял свою систему, мы не найдем изображения Солнца. Согласно Копернику, оно должно было вращаться вокруг центра мира на расстоянии порядка нескольких своих диаметров, и его изображение могло затруднить восприятие общего принципа. Кеплер же задался вопросом, как планета в пустом пространстве может ориентироваться, ведь для того, чтобы можно было следовать своему пути, должен существовать какой-то ориентир? Центр мира как некоторая точка в пространстве не может выступать в такой роли. В качестве предпочтительного ориентира Кеплер выбирает Солнце и помещает его в центр своей новой системы мира. Такое изменение в расположении Солнца позволило ему рассматривать его кроме того, что оно всегда выступало источником света, также и в качестве источника силы, которая заставляет тела двигаться по своим траекториям. При этом для того, чтобы объяснить, почему тела двигаются под действием силы в пустом пространстве с определенной, а не с бесконечной скоростью, Кеплер наделяет тела качеством лености (Trдgheit на немецком или inertia на латыни), проявляемым ими в виде сопротивления движению и стремления к покою. Это представление, кстати, очень близко средневековым представлениям о пассивности материи и активности духа. И именно благодаря введению такого представления об инерции (инерция как свойство тела оказывать сопротивление движению) Кеплер открывает свой Третий закон движения, утверждающий равенство отношения квадратов периодов обращения планет вокруг Солнца и отношения кубов больших полуосей их орбит. Надо сказать, что этот закон эмпирически подтверждается с большой точностью (порядка 1%).
Позднее Ньютон, нащупывая контуры своей будущей механики, заимствует у Кеплера само это слово inertia, но «вычитывает» из него другой смысл. Фактически Ньютон вскрывает тем самым «ошибку» Кеплера. Если у Кеплера инерция - это сопротивление движению, то у Ньютона нечто совсем иное, инерция у него - это сопротивление ускорению. Именно в таком понимании инерция входит в законы движения Ньютона. Предположив зависимость гравитации от расстояния по закону обратного квадрата, Ньютону удается вывести, уже на основе своих законов движения, и законы, сформулированные Кеплером, которые были получены, в частности, в результате «ошибочного» представления.
Но давайте перейдем от истории физического познания к современности. Не секрет, что можно найти массу примеров, которые указывают на то, что преодоление ситуаций с той же эмпирической переопределенностью через синтез оказывается не столь очевидным. Обратимся к самому переднему краю физического познания, к попыткам построения квантовой теории гравитации (КГ). Как уже мы обсуждали ранее, здесь конкурируют несколько подходов к построению такой теории. Можно выделить два подхода: концепцию суперструн и петлевой подход, которые, как представляется, выступают наиболее очевидными воплощениями двух упомянутых выше стратегий развития знания - стратегии, ведущей к несоизмеримости и, следовательно, к уменьшению доли кумулятивного аспекта в развитии знания, и стратегии синтеза, а значит, к увеличению доли кумулятивного момента.
Е.А. Мамчур: - Да, Вы правы, выделяя эти два подхода. Теорию суперструн можно представить как попытку реализовать первую стратегию; петлевой подход - вторую. И анализ предлагаемых ими решений мог бы многое прояснить. Но прежде стоит сказать несколько слов о самой идее квантовой гравитации.
Создание теории квантовой гравитации - одна из главных проблем, стоящих перед современным физическим познанием. Основная задача, которую призвана выполнить эта теория, состоит в том, чтобы разрешить противоречие, существующее между двумя великими физическими теориями современной науки - общей теорией относительности (ОТО) и квантовой механикой (КМ). Это противоречие не дает возможности достичь единства в системе физического знания, построить единую картину мира, которая всегда, на всех этапах развития науки выступала важнейшим идеалом научного познания.
С позиции сторонников петлевого подхода суть противоречия между КМ и ОТО в том, что они исходят из совершенно различных представлений о пространстве и времени. Квантовая механика оперирует понятием фиксированного пространства - времени, которое лежит в основании (является Ьаскдгоып^ом) микромира. ОТО не использует такого понятия: в ней нет пространства, лежащего в основании исследуемого ею мира, и в этом смысле она является background independent. То, что мы называем пространством, в ОТО является физическим объектом, во многих отношениях подобным электромагнитному полю. Здесь пространство Ньютона, которым оперируют в классической механике, и пространство-время Минковского, фигурирующее в СТО, исчезли; пространство-время интерпретируется как конфигурации гравитационного поля, которое и играет в ОТО роль пространства - времени.
С точки зрения приверженцев петлевого подхода для устранения противоречия между квантовой механикой (КМ) и общей теорией относительности (ОТО) и осуществления их синтеза пространственные представления КМ должны измениться и приблизиться по своим характеристикам к пространству-времени ОТО. Вспомним, что ОТО является background independent. Значит, изменения должны коснуться квантовой теории поля (КТП), являющейся теоретической основой физики элементарных частиц. Она должна стать background independent, как и ОТО.
В то же время должно измениться и пространство-время ОТО. Напомним, что в этой теории оно является динамической сущностью. Но квантовая механика требует, чтобы любая динамическая сущность была «сделана» из квантов. Следовательно, чтобы реализовать синтез ОТО и КМ, нужно «сделать» пространство-время ОТО квантованным.
В очень кратком изложении задача решается следующим образом. Вводятся представления о том, что на очень малых (планковских) масштабах времени и длины пространство ОТО не является гладким классическим многообразием, а представляет собой соединение сингулярных геометрических объектов - петель. Вся метрика пространства-времени концентрируется вдоль петли, а вне петли и внутри нее она обращается в нуль. Таким образом, петли оказываются маленькими квантовыми ячейками пространства, определенным образом соединенными друг с другом, так что пространство-время приобретает дискретную структуру. Такая картина справедлива только на очень малых масштабах времени и длины. На больших масштабах это пространство переходит в непрерывное гладкое пространство-время.
Но давайте не будем вдаваться в детали петлевого подхода. Нам важно здесь подчеркнуть, что синтез двух теорий - КМ и ОТО - в случае с петлевым подходом не предполагает отказа от принципов старых теорий.
А.А. Парамонов: - Но не сталкиваемся ли мы здесь вновь с ситуацией, когда противоречие между двумя теориями, в данном случае между КМ и ОТО, снимается благодаря устранению того, что теперь рассматривается как «ошибка», проявившаяся при построении квантовой теории поля, а до того составлявшая и составляющая до сих пор несомненный, исходный элемент КМ?
Е.А. Мамчур: - Да, это так. С точки зрения приверженцев петлевого подхода ошибка состояла в том, что понятие пространства, которое они полагают дискретным (квантованным), было ошибочно замещено понятием гладкой геометрии, лежащей в основании (являющейся Ьаскдгои^'ом) микромира. Как полагают сторонники петлевого подхода, эта ошибка вела к появлению в квантовой теории поля, являющегося теоретическим основанием стандартной модели физики элементарных частиц, ультрафиолетовых расходимостей. Именно поэтому, надеются они, устранение этой ошибки приведет к устранению и ультрафиолетовых расходимостей.
Если мы обратимся к альтернативному подходу, к концепции суперструн, то ее сторонники идут другим путем. Во-первых, в отличие от петлевого подхода, который нацелен на построение квантовой геометрии, они оперируют гладким классическим фоновым пространством-временем. Во-вторых, теория суперструн отнюдь не нацелена на синтез ОТО и КМ. Как пишет Р. Пенроуз, сторонники суперструн и приверженцы петлевого подхода руководствуются различной идеологией. Суперструнщики центральной проблемой квантовой гравитации считают проблему перенормируемости теории. Для сторонников петлевого подхода главной проблемой является не вопрос о перенормируемости теорий, а конфликт между квантовой теорией и общей теорией относительности, разрешение этого противоречия и их синтез. В теории суперструн используют тот факт, что прямое квантование пространства-времени ОТО ведет к неперенормируемости этой теории. Поэтому суперструнщики предполагают построить квантовую теорию гравитации не на синтезе ОТО и КМ, а на синтезе КМ и теории суперструн. Таким образом, они в определенной степени «жертвуют» частью содержания ОТО. Поскольку к тому же суперструнщики вводят взявшуюся не из уже существующих теорий, а пришедшую извне идею - протяженный характер объектов микромира, то можно сказать, что они реализуют линейную, связанную с появлением несоизмеримости между новой и старой теориями, модель развития.
А.А. Парамонов: - Но есть ли какие-либо дополнительные аргументы в пользу того, что одна из предложенных стратегий преодоления противоречий между КМ и ОТО обладает преимуществом?
Е.А. Мамчур: - Пока рано говорить о том, какой из подходов победит. С точки зрения авторов петлевой концепции, в настоящее время их подход к построению квантовой гравитации - единственный, который ведет к четко определенным и, в принципе, фальсифицируемым физическим предсказаниям16. К тому же он обладает рядом методологических преимуществ. Среди них - устранение ультрафиолетовых расходимостей, устранение противоречий между КМ и ОТО и, главное, - синтез этих теорий, который осуществляется без потери основного содержания принципов этих теорий. Этот синтез существенно усиливает кумулятивный аспект в развитии физического знания. А это значит, что вопреки линейному подходу, с его феноменом несоизмеримости старой и новой теорий и отсутствием кумулятивности на теоретическом уровне научного знания, мы все-таки все лучше и лучше понимаем окружающий нас мир.
Будущее покажет, какая из концепций адекватна действительности. Для наших целей важно одно: возможность реконструировать отдельные этапы в развитии научного знания как синтез принципов двух, на первый взгляд конфликтующих, теорий дает основание утверждать, что в отличие от мнения приверженцев традиционной для постпозитивизма модели развития знания, приводящей к несоизмеримости теорий, истинное знание накапливается не только на уровне фактов, но и на уровне принципов теорий. И это, повторим, усиливает кумулятивный аспект развития знания и таким образом свидетельствует против концепции «внутренней истины».