CC BY
58
УДК 1:001
Никонов Олег Александрович
кандидат философских наук, доцент кафедры физики Мурманского государственного технического университета Oleg.Nikonov@rambler.ru Oleg A. Nikonov
Candidate of philosophical Sciences.
Associate Professor of physics of the Murmansk state technical University Oleg.Nikonov@rambler.ru
ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГЕОМЕТРИЗАЦИИИ ФИЗИКИ
В ТРУДАХ ЭРНСТА МАХА
PHILOSOPHICAL PROBLEMS OF GEOMETRIZATION OF PHYSICS
IN THE WORKS OF ERNST MACH
Аннотация. В статье рассматривается развитие философских представлений о поле, как о геометрии пространства-времени. Интерпретация всех типов взаимодействий как искажений искривленной расслоенной геометрии пространства-времени представляет собой центральную идею современной базисной концепции геометризации физики. В статье даётся анализ влияния философского наследия Э. Маха на современную эпистемологию, рассматривается анализ гносеологической ситуации на рубеже XIX и XX веков. В работе рассматривается влияние научных идей Э. Маха на создание теории относительности и современной физики элементарных частиц.
Ключевые слова: поля, пространство-время, элементарные частицы, , физические структуры, метрика, кванты, инвариантность, суперструны.
Annatation. The article considers the development of philosophical ideas about the field as on the geometry of space-time. Interpretation of all types of interactions as distortion curved stratified geometry of space-time is a Central idea of modern basic concept of geometrization ofphysics. In the article the analysis of the influence of the philosophical heritage of E. Mach modern epistemology. The paper considers the influence of scientific ideas E. Mach to create the theory of relativity and modern physics of elementary particles.
Keywords: fields, space-time, elementary particles, physical structures, metrics, quantum's, invariance. superstring.
Обращение к научному наследию Эрнста Маха (1838—1916) - великого естествоиспытателя, физика и философа рубежа XIX и XX веков, чрезвычайно важно сегодня, поскольку и в эпоху Маха, и в настоящее время вхождение в новое столетие сопровождается пересмотром ключевых понятий и принципов фундаментальной теоретической физики.
В физике XX века предлагалось вообще избавиться от категории полей -переносчиков взаимодействий и опираться на расширенное толкование пространства-времени и категории частиц. Имеется в виду теория прямого межчастичного взаимодействия Фоккера — Фейнмана, которая по духу оказалась наиболее близкой к взглядам, отстаиваемым Махом. Критически высказываясь относительно общепринятой абсолютизации используемых в ньютоновой механике категорий, Мах, в частности, заметил: «Об абсолютном пространстве и абсолютном времени никто ничего сказать не может; это чисто абстрактные вещи, которые на опыте обнаружены быть не могут» [1]. Вместе с тем, он рассматривал введение данной категории в физику как великую заслугу Ньютона. Актуальными и в настоящее время являются слова Э. Маха: «Средствам мышления физики, понятиям массы, силы, атома, вся задача которых заключается только в том, чтобы побудить в нашем представлении экономно упорядоченный опыт, большинством естествоиспытателей приписывается реальность, выходящая за пределы мышления. Более того, полагают, что эти силы и массы представляют то настоящее, что подлежит исследованию, и если бы они стали известны, все остальное получилось бы само собою из равновесия и движения этих масс. Мы не должны считать основами действительного мира те интеллектуальные вспомогательные средства, которыми мы пользуемся для постановки мира на сцене нашего мышления» [1].
Анализируя взгляды Маха. А. Эйнштейн писал: «...Мах ясно понимал слабые стороны классической механики и был недалёк от того, чтобы прийти к общей теории относительности. И это за полвека до её создания! Весьма вероятно, что Мах сумел бы создать общую теорию относительности, если бы в то время, когда он ещё был молод духом, физиков волновал вопрос о том, как следует понимать постоянство скорости света, при отсутствии интереса к факту постоянства скорости света, вытекающему из электродинамики Максвелла -Лоренца, потребности Маха в критике оказались недостаточными, чтобы он смог почувствовать необходимость определения одновременности пространственно разделённых событий» [2].
В середине XIX века в ведущей немецкой физической школе начало формироваться парадигма, которая опиралась на категории пространства (времени) и материальных тел (частиц), тогда как третья категория — полей переносчиков взаимодействий — не входила в число первичных понятий и трактовалась лишь как вспомогательная. Представители этой школы обсуждали возможность дополнительных размерностей пространства, вопросы о сути понятия пространства, идеи неевклидовых геометрий и другие фундаментальные проблемы естествознания.
Мах, рассматривая вопрос о способах построения многомерных теорий, писал: «Но не представляет никакого затруднения рассматривать аналитическую механику, как то и было сделано, как аналитическую геометрию четырех измерений (четвертое измерение — время). Вообще отнесенные к координатам уравнения аналитической геометрии легко внушают математику мысль распро-
странить такого рода рассуждения на какое угодно большое число измерений. И физика могла бы рассматривать протяженную материальную непрерывность, каждой точке которой приписать определенную температуру, силу притяжения, магнитный и электрический потенциал и т. д., как часть, как вырезку многообразия многих измерений. Мы знаем из истории науки, что оперирование такими символическими образами никоим образом нельзя считать делом совершенно бесплодным» [1].
Создание общей теории относительности (ОТО) означало лишь первый, но принципиально важный шаг на пути к новой дуалистической парадигме. В ней была объединена категория пространства-времени лишь с гравитационным полем. Электромагнитное и другие поля оставались негеометризованными. Эта задача решается в рамках многомерных геометрических моделей типа теории Калуцы— Клейна. Эта теория представляет собой первую попытку создания единой теории поля, в которой электромагнитное и гравитационное поля являются геометрическими свойствами временного пространства. Калуце удалось посредством введения «свернувшегося» пятого измерения объединить уравнения магнетизма и гравитации в обычном 4-х мерном пространстве.
Лишь в 80-х годах XX веке годах после создания калибровочных моделей электрослабых и сильных взаимодействий и открытия принципов суперсимметрии стало ясно, что результаты этих исследований можно переформулировать на языке многомерных геометрических моделей, однако уже в многообразиях не пяти, а еще большего числа измерений [3].
В физике XX века была представлена возможность вообще избавиться от категории полей переносчиков взаимодействий и опираться на расширенное толкование пространства-времени и категории частиц. Имеется в виду теория прямого межчастичного взаимодействия Фоккера — Фейнмана, которая по духу оказалась наиболее близкой к взглядам, отстаиваемым Э. Махом.
Развитие естествознания на современном этапе привело к формулировке новых концепций в теоретической физике элементарных частиц и космологии. Эти концепции основаны на представлениях о геометрии пространства-времени, эволюционирующей по квантовым законам, и подтверждаются результатами экспериментальных исследований, полученных в последнее время.
Интерпретация всех типов взаимодействий как искажений искривленной расслоенной геометрии пространства-времени представляет собой центральную идею современной базисной концепции геометризации физики.
В общей теории относительности Эйнштейна пространство-время связано с гравитационными массами. Оно искривляется (время замедляется) вблизи гравитационных масс. Пространство-время неоднородно, неодинаково для различных гравитационных условий. Пространство-время существует не само по себе, а только как структурное свойство гравитационного поля. Уравнения Эйнштейна, формирующие предсказательную основу ОТО, имеют множество решений, каждое из которых описывает возможную четырехмерную конфигурацию пространства, времени и гравитации.
Эйнштейн выдвинул ключевую идею, суть которой в том, что поле, заданное на пространственно-временном многообразии, в действительности является характеристикой самого пространства-времени, т.е. поле представляет собой не внешний по отношению к пространству-времени объект, а его внутреннее свойство. Иными словами, поле задает топологию и геометрию пространства-времени. Впервые эта идея была воплощена Эйнштейном в ОТО, где было показано, что гравитационное поле есть мера искривленности пространства-времени, а все физические (негравитационные) поля участвуют в процессе его искривления и в реакции на это искривление. На этом этапе теоретические представления о природе гравитационного взаимодействия были сформулированы в терминах искажения геометрии пространства-времени в виде деформаций пространства-времени одними квантами материальных полей и реакций на эти деформации других квантов полей материи. С электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями связаны не искривления четырёхмерного пространственно-временного континуума, а искажения геометрии другого типа, а именно расслоения пространства-времени. Причем этим трем типам взаимодействий соответствуют различные типы расслоений.
«Общая теория относительности ввела в физику идеи геометризации фундаментальных полей и взаимодействий. Именно глубина и плодотворность этих научных результатов и концепций позволили в дальнейшем предложить теоретическое описание микромира на уровне суперструн, преонов и вакуумных структур» [4].
В программе геометродинамики физические явления строятся из свойств пространства-времени. Она гласит: «В мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнитные и другие физические тела являются лишь проявлением искривленности пространства. Физика есть геометрия. Все физические понятия должны быть представлены с помощью пустого, различным образом искривленного пространства, без каких-либо добавлений к нему» [5]. Классическая геометродинамика включает в себя построение из геометрии пространства-времени эквивалентов массы, зарядов, электромагнитного поля. В этой теории частица выступает как чисто геометрическое понятие. Масса, время, длина, электромагнитные поля, суть объекты чистой геометрии. Физика оперирует только длинами — и ничем другим. Эта программа была продолжена в квантовой области.
Квантовая геометродинамика — глобальная квантовая теория, задача которой состоит в описании процесса рождения Вселенной как физического объекта и в разработке концепции множественности миров. Эти разделы теоретической физики, выходящие на границы возможностей человеческого познания, непосредственно смыкаются с проблемами фундаментальной философии.
Частицы движутся не в пустоте, а над неким «фоном», в котором непрестанно возникают и гаснут полевые флуктуации. При этом сами свойства частиц определяются их взаимодействием с этим фоном — вакуумом. Таким образом, разработка проблем физики, поставленных на рубеже XIX—XX вв.,
привела к становлению двух фундаментальных концепций, которые можно выразить ключевыми словами — геометризация и кванты. Мы имеем в виду геометризацию взаимодействий и квантовый характер движения микрообъектов.
Более глубокий синтез этих понятий начался уже в нашу эпоху, в конце XX в. Прежде всего, на геометрическом языке были сформулированы представления о нулевых (квантовых) колебаниях полей. Теперь они интерпретируются как нулевые колебания недеформированных геометрических структур. Экспериментальные данные и более глубокий теоретический анализ привели к выводу, что квантовые геометрические системы способны к спонтанной деформации даже в отсутствие материи в привычном для нас понимании этого слова. Это обстоятельство заставило радикально пересмотреть наши представления о вакууме.
Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. В настоящее время экспериментальным фактом можно считать утверждение о том, что вакуум — среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменений состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно — путем концентрации энергии в малых областях пространства.
Литература
Мах Э. Познание и заблуждение. Очерки по психологии исследования. — М.:, 2003. — 456 с.
Эйнштейн А. Эрнст Мах./ А. Эйнштейн Собр. науч. трудов. В 4 тт. Т. 4. — М.: Наука, 1965. - С. 227 — 266.
Уилкинсон Д., Пайерлс Р., Льюэллин-Смит К., Перкинс Д., Салам А., Эл-лис Дж., Гелл-Ман М. Фундаментальная структура материи:. — М.: Мир, 1984 — 312 с.
Эйнштейн А. Эволюция физики. М., 2001. — 264 с.
Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная: В поисках физических концепций XXI века. — М.: Изд-во МГУ, 2001. — 232 с.
Rainich G. «Trans. Amer. Math.Soc.», 1925, v. 27, № 106. - Р. 37.
Literature
Mach E. Knowledge and misleading. Essays on psychology research. - M:, 2003. - 456p.
Einstein A. Ernst Mach./ A. Einstein SOBR. nauch. works. 4 TT So 4. - M: Nauka, 1965.- P.227 - 266.
Wilkinson D., R. Peierls, Lewellen-K. Smith, D. Perkins, A. Salam, Ellis Dzh., Gell-Mann M, the Fundamental structure of matter:. - M: Mir, 1984 - 312 p.
Einstein A. the Evolution of physics. M, 2001. - 264 p.
Latypov N.N., Beilin VA, Vereshkov G.M. Vacuum, elementary particles and the universe: In search of the physical concepts of the XXI century. - M: MSU Publishing house, 2001. - 232 p.
Rainich G. "Trans. Amer. Math.Soc.", 1925, v. 27, № 106. - P. 37.
