ПОНИМАЕМ ЛИ МЫ, КАКАЯ РЕАЛЬНОСТЬ НАХОДИТСЯ ЗА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ КОНСТАНТАМИ?

Давайте немного остановимся на вопросе о фундаментальных физических постоянных. Многие физические законы содержат размерные или безразмерные физические константы. А законы физики задают не только облик привычного нам макромира, который мы созерцаем каждый день и в котором живем (это пространство-время нашего дома, улицы, города, природного ландшафта, нашей биосферы). Законы физики определяют закономерности в области космологии и астрофизики, т.е. в пространстве-времени Вселенной.

Имеется целый список таких констант, причем часть из них выводится из других. Например, для классической механики, решающей задачи на поверхности Земли, важной эмпирической физической постоянной является ускорение свободного падения g. Но на более фундаментальном уровне значение g выводится из параметров Земли и гравитационной постоянной G. В атомной физике важную роль играет постоянная Ридберга. Однако, на более фундаментальном уровне значение постоянной Ридберга выводится из таких фундаментальных констант, как заряд e и масса me электрона, постоянная Планка h, скорость света в вакууме c. Закон всемирного тяготения и общая теория относительности содержат гравитационную постоянную G, которая есть фундаментальная физическая константа. Электродинамика содержит электрическую и магнитную постоянные, и скорость света с, которые связаны друг с другом. Поэтому из трех постоянных выбрали две независимые - скорость света с и магнитную постоянную, которые считаются фундаментальными физическими константами (электрическая постоянная из них выводится). Квантовая физика содержит фундаментальную физическую константу - постоянную Планка h. Кроме перечисленных, по всей видимости, нужно считать фундаментальными константами заряд и массу протона (заряд протона равен заряду электрона с противоположным знаком), массы нейтрона и др. частиц, а также константы, определяющие электрослабое и сильное взаимодействия. Большинство из этих констант не удается вывести из первопринципов, а возможно получить только из эксперимента. Не ясно также, не являются ли макропараметры, описывающие Вселенную, такими же фундаментальными константами? Речь идет о постоянной Хаббла, средней плотности вещества и энергии, отношении числа барионов к числу фотонов и др. [Каршенбойм С.Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения. УФН, том 175, N3, 2005. - С. 271-298]. К др. макропараметрам, описывающим Вселенную, можно отнести процентные содержания барионной и темной материи, а также темной энергии.

Стандартная модель в физике элементарных частиц говорит нам, что массы кварков, заряженных лептонов (электрон, мюон), W- и Z-бозонов обусловлены, по всей видимости, так наз. механизмом Хиггса, т.е. взаимодействием с полем Хиггса. Получается, что масса каждой из перечисленных частиц пропорциональна соответствующей константе связи с полем Хиггса [Рубаков В.А. Иерархии фундаментальных констант. УФН, том 177, N4, 2007. - С. 407-414]. Т.е., вместо масс элементарных частиц на более глубоком уровне мы получаем др. фундаментальные постоянные - константы связи с полем Хиггса. Как будем сказано ниже, всего эмпирических параметров в Стандартной модели элементарных частиц аж 19!

Наличие большого числа фундаментальных констант, значения которых нельзя вычислить из первопринципов, а можно определить только эмпирически, из опыта, говорит о неполноте соответствующих теорий, а также говорит о непонимании глубинных причинных связей, стоящих за этими константами. Для Эйнштейна идеалом науки была бы такая картина мира, "где нет эмпирических, не нашедших каузального объяснения физических констант" [Кузнецов Б.Г. Эйнштейн. Жизнь. Смерть. Бессмертие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1979. - 700 с., С.288. Режим доступа: https://imwerden.de ' pdf ' kuznetsov_einstein_zhizn_smert_bessmertie_1979].

Альберт Эйнштейн (1879-1955 гг.), обобщивший закон всемирного тяготения и разработавший общую теорию относительности. Благодаря этому стала возможной современная научная космология. (Иллюстрация с инета)

В настоящее время физики полагают, что некоторые фундаментальные физические константы в принципе могли бы иметь разные значения. На эту мысль наталкивает опыт построения единой теории электрослабого взаимодействия, теории космологической инфляции и др. Но, дело в том, что только определенные значения физических констант и их комбинаций способны привести к тому, что во Вселенной возникли звезды и нуклеосинтез пошел "правильным" путем, возникла органическая жизнь и разумный человек. А поскольку этот человек теперь способен наблюдать Вселенную и рассуждать о ней, то "правильный" подбор фундаментальных констант иногда объясняют так наз. "антропным принципом". Смысл принципа в том, что Вселенная обязана иметь именно такие константы и параметры, поскольку иначе не существовало бы человека, который смог бы изучать эту Вселенную и ставить все перечисленные выше вопросы [Каршенбойм С.Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения. УФН, том 175, N3, 2005. - С. 271-298].

Одним из впечатляющих примеров подгонки фундаментальных констант является феномен неустойчивости структуры Метагалактики (Вселенной) относительно величины массы электрона me. В Метагалактике атом водорода, основного химического элемента, стабилен в широком интервале температур. При относительно низких температурах закон сохранения энергии не позволяет протону и электрону атома водорода соединиться в нейтрон, потому что me < mn - mp, где mn - масса нейтрона, mp - масса протона. Однако, при увеличении массы электрона более, чем в 2,5 раза, коллапс атома водорода будет происходить при сколь угодно низких температурах. И вместо водорода мы бы имели нейтроны и нейтрино. В таком мире не было бы горящих, как Солнце, звезд, а формировались бы лишь нейтронные звезды. Не происходил бы синтез необходимых для жизни углерода, кислорода, кремния и др. элементов [Черепащук А.М. История истории Вселенной. УФН т.183,N5. 2013. - С.535-556].

Как утверждает Борис Штерн, самыми капризными (неустойчивыми объектами) во Вселенной, зависящими от соотношения фундаментальных констант, являются звезды. Так, если немного увеличить ядерную силу притяжения между протоном и нейтроном, то ядро тяжелого водорода, дейтрон, перестанет быть слабо связанным (станет сильно связанным), и это резко ослабит вероятность ядерной реакции горения водорода. Тогда звезды будут еле тлеть. А если, наоборот, ослабить ядерную силу, дейтрон вообще не сможет существовать, и тогда протонный цикл горения водорода вообще оборвется. Если немного изменить константу ядерных взаимодействий, то блокируется тройная гелиевая реакция в звездном нуклеосинтезе, т.к. исчезнет удачное значение резонанса ядра углерода. А это оборвет единственный мостик от легких элементов к тяжелым, и Вселенная останется практически только с водородом и гелием, без тяжелых элементов, необходимых для формирования планет и существования органической жизни. Если немного увеличить сильные взаимодействия по отношению к электромагнитным, то появилось бы новое стабильное ядро, дипротон (из двух протонов). И тогда в первые же минуты после Большого взрыва вещество Вселенной стало бы гелием, и не осталось бы водорода. В таких условиях звезды бы не зажглись. "Возможно, в пространстве параметров существуют и др. благоприятные "острова", где возможна какая-то другая жизнь, совсем не похожая на нашу. И там разумные обитатели будут удивляться удачной подстройке физических величин. А в большинстве вселенных, где не произошло благоприятной случайности, некому посетовать на неудачные значения физических констант. Это и есть суть антропного принципа" [Штерн Б.Е. Прорыв за край мира. О космологии землян и европиан / Борис Е. Штерн. - М.: Троицкий вариант, 2014. - 304 с., с.241-242.].

Однако, многих исследователей антропный принцип не удовлетворяет, поскольку от него мало пользы. И вот, с одной стороны, имеется множество эмпирических фундаментальных констант неясного происхождения, а с другой стороны, многие из этих констант так удачно комбинируются, что позволяют существовать Вселенной именно такой, какую мы знаем. Причем в этой Вселенной существует органическая жизнь и человек. Как все это понимать? Не содержится ли здесь намека на множественность вселенных (Мультивселенную) с различными фундаментальными константами, и в одной из них - нашей Вселенной - проживает человек, потому что нам случайно повезло с набором констант? А может быть, здесь прямое указание на то, что наша уникальная Вселенная была сотворена специально для нас, для человека?

На эти вопросы пытается ответить теория космологической инфляции. В настоящее время наиболее популярна модель хаотической инфляции А. Линде, которая более наглядна и проста. Идея инфляции коренится в физике элементарных частиц, в частности, в единой теории электрослабых взаимодействий, которая объединяет электромагнетизм и слабые взаимодействия. В этой теории введено некое скалярное поле, порождающее отрицательное давление. Если скалярное поле однородно, то мы его не замечаем, оно себя ведет подобно вакууму, но с другим энергетическим состоянием. (Аналогично себя ведет электрический потенциал, который мы не замечаем, если он постоянен в пространстве и времени.) Физики полагают, что скалярные поля заполняют всю Вселенную и проявляют себя лишь через свойства элементарных частиц. Так, фотоны - переносчики электромагнитных взаимодействий - не взаимодействуют с подобными скалярными полями, поэтому остаются легкими. А переносчики слабых взаимодействий - W и Z-частицы - взаимодействуют со скалярным полем, поэтому они тяжелые. В начале расширения Вселенной, когда характерные энергии были высокие, все частицы были изначально легкие, работало электрослабое взаимодействие, и не существовало различий между электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Позднее Вселенная заполняется различными скалярными полями, и тогда наступает разделение фундаментальных электрослабых взаимодействий на слабое взаимодействие и электромагнетизм, поскольку W и Z-частицы приобретают отличия от фотонов. Так вот. Подобное скалярное поле может отвечать за механизм космологической инфляции [Линде А. The Self-Reproducing Inflationary Universe (Самовоспроизводящаяся Инфляционная Вселенная). Статья в журнале Scientific American, 1994. Режим доступа: http://nuclphys.sinp.msu.ru/linde/index.html].

Оказывается, наиболее реалистичные модели в физике элементарных частиц предсказывают несколько скалярных полей. А потенциальная энергия нескольких скалярных полей может иметь несколько различных минимумов. "Это обстоятельство означает, что подобная теория может иметь дело с различными вакуумными состояниями, отвечающими различным типам нарушения симметрий между фундаментальными взаимодействиями и, как результат, с различными законами низкоэнергичной физики. (Взаимодействия частиц при экстремально больших энергиях не зависят от нарушений симметрий).Такие сложности в скалярном поле означают, что после инфляции Вселенная может оказаться разделённой на экспоненциально большие домены, которые отличаются законами низкоэнергичной физики. Заметим, что это деление возникает, даже если полная Вселенная первоначально родилась в одном состоянии, соответствующем одному частному минимуму потенциальной энергии. В самом деле, большие квантовые флуктуации могут заставлять скалярное поле выпрыгивать из их минимумов. То есть они могут перебрасывать шары из одних мисок в другие. Каждая миска соответствует альтернативным законам взаимодействия частиц. В некоторых инфляционных моделях квантовые флуктуации так велики, что даже число размерностей пространства и времени может меняться.Если эта модель правильна, то одна физика не может обеспечить полное объяснение всех свойств нашего участка Вселенной. Та же физическая теория может дать большие части Вселенной, которые имеют различные свойства. Согласно этому сценарию мы обнаруживаем себя внутри 4-х мерного домена с нашим типом физических законов не потому, что домены с различной размерностью и альтернативными свойствами невозможны или неправдоподобны, а просто потому, что наш сорт жизни невозможен в других доменах...Эволюция инфляционной теории приводит к возникновению совершенно новой космологической парадигмы... В ней Вселенная оказывается и хаотической и однородной, расширяющейся и стационарной. Наш космический дом растёт, флуктуирует и вечно воспроизводит сам себя во всевозможных формах, как бы приспособляя себя ко всем возможным типам жизни, которые он может поддерживать" [Линде А. The Self-Reproducing Inflationary Universe (Самовоспроизводящаяся Инфляционная Вселенная). Статья в журнале Scientific American, 1994. Режим доступа: http://nuclphys.sinp.msu.ru/linde/index.html]. Иначе говоря, в различных доменах или в различных инфляционных пузырях возможны различные фундаментальные константы или даже различные законы физики. Таково мнение Андрея Линде и многих др. космологов и физиков.

Теория космологической инфляции смогла ответить на некоторые вопросы по теме фундаментальных физических констант. Например, откуда взялись законы, определяющие физику и эволюцию Вселенной? Гипотетически законы могли возникнуть в инфляционных пузырях Мультивселенной, причем в каждом таком пузыре - свой набор законов или хотя бы свой набор физических констант. Или, почему Вселенная уникальна настолько, что физические законы и фундаментальные физические константы подогнаны так хорошо, что возможно существование сложной органической жизни и человека? Ответ может состоять в том, что в Мультивселенной, которую предсказывает теория инфляции, появляются отдельные вселенные с различными законами физики или хотя бы с различными фундаментальными константами в законах. Таких вселенных в Мультивселенной может быть очень и очень много! И в одной из них - нашей Вселенной - нам случайно повезло с набором констант. К такому ответу склоняет теория космологической инфляции.

Впрочем, у теории инфляции есть два серьезных оппонента: Роджер Пенроуз и Пол Стэйнхардт...

В последнее время, как пишет философ Алексей Левин, специалисты в области теории элементарных частиц, релятивистской астрофизики и космологии стали сравнивать современное состояние фундаментальной науки с ситуацией конца XIX в., когда в физике назрел кризис. Так и сегодня, самая успешная великая теория в фундаментальной физике, Стандартная модель элементарных частиц, имеет существенные недостатки, говорящие о ее неполноте. Например, Стандартная модель не включает гравитацию и не предлагает пути к построению квантовой теории гравитации. Модель не выявляет динамику спонтанного нарушения симметрии электрослабого взаимодействия. Кроме того, Стандартная модель элементарных частиц не выстраивает однозначной связи с теорией космологической инфляции. В интервью с главным научным сотрудником ИЯИ РАН Сергеем Троицким было отмечено, что в Стандартной модели элементарных частиц существует набор из 19(!) свободных параметров, который ниоткуда не следует. А это вызывает вопросы и порождает сложности. По мнению С. Троицкого, ситуация была бы гораздо лучше, если бы все эти 19 параметров не нужно было эмпирически находить, а можно было бы вычислить или хотя бы свести к одному параметру, действительно свободному и эмпирически определяемому. А пока что можно говорить о кризисной ситуации в фундаментальной физике [Левин А. Натуральна ли естественность? (24.12.2018). Режим доступа: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434468/Naturalna_li_estestvennost].

Итак, перед нами самый фундаментальный уровень описания природы, Вселенной в целом - космология и физика элементарных частиц. А они приводят нас к существованию целого набора фундаментальных физических (а возможно, и космологических) констант, которые можно получить только эмпирически. Эти константы входят в основные физические законы и определяют основные характеристики материи, но мы не понимаем, откуда следуют значения этих констант и почему они именно таковы. Причем, не наблюдается тенденции к уменьшению числа констант, хотя отдельные примеры этого существуют (выше говорилось, что некоторые константы удалось вывести из других констант). Но за каждой фундаментальной константой стоит неизвестная физика, непознанные фундаментальные свойства материи. Искусственное приведение констант к безразмерному числу, типа единицы, путем специального подбора единиц измерения физических величин не решает проблемы, а лишь "заметает проблему под ковер". Я полностью согласен с мнением Альберта Эйнштейна, что идеалом физики было бы такое описание природы, где все константы можно было бы вывести из первопринципов. Но этого как раз и не происходит. Наоборот, чем глубже мы проникаем в познание материи, тем больше появляется фундаментальных констант, которые можно получить только эмпирически. Это означает, что чем больше мы узнаем о Вселенной, тем больше фундаментальных вопросов это порождает.

Лично мне представляется, что эта ситуация подтверждает древний афоризм: "я знаю, что я ничего не знаю".

Скосарь В.Ю., г.Днепр, ноябрь 2019 г.