Инфляционный этап космологии - Астрономия и современная картина мира

Решение проблемы сингулярности, а также других проблем фридмановской космологии до конца семидесятых годов предпринималось самыми различными космологическими школами (казнеровские модели, модели пульсирующей Вселенной Сахарова, концепция Ольвена, Омнеса, различные теории гравитации: Бранса-Дикке, Хойла, Бонди, Тредера и др. модели с различной топологией). С конца семидесятых годов и начала восьмидесятых из всего множества подходов выделяется наиболее перспективное направление, реконструирующее квантовое рождение Вселенной посредством флуктуации вакуума. Именно в этот период формируется такая гносеологическая установка, когда предпочтение отдается той теории, которая решает нерешенные проблемы предшествующей теории Фридмана-Леметра. Этим теория-претендент приобретает возможность на право стать новой господствующей космологической теорией, сделав эволюционирующую Вселенную, адекватно описываемую в рамках предшествующей теории Фридмана, только лишь ограниченной стадией в своем универсальном описании Вселенной. Этим соблюдается преемственность в динамике космологического знания, т. е. выполняется принцип "соответствия". "Теория, которая была хорошо подкреплена, может быть превзойдена только теорией более высокого уровня универсальности, то есть теорией, которая лучше проверяема и которая вдобавок содержит старую, хорошо подкрепленную теорию или по крайней мере хорошее приближение к ней" [12, c. 224]. C этими словами Поппера трудно не согласиться, однако его недоверчивость относительно теорий очень высокого уровня универсальности требует, прежде всего, определения понятия "высокий уровень". Кто может предопределить точно, что данная теория именно такого уровня универсальности, который не принесет ей эмпирического подтверждения? Думается, что никто. Вспомним хотя бы историю создания теории Фридмана. Ни сам Фридман, ни многие его единомышленники в начале двадцатых годов и не мечтали о возможности получения хоть какого-то наблюдательного подтверждения. Однако уже в 1929 г. оно было получено. Сам Фридман рассматривал свою теорию - не более чем математический курьез.

Сложность той ситуации, которая возникла сейчас в космологии в связи с построением новой более универсальной чем фридмановская теория, сторонниками Поппера вполне могла бы быть квалифицирована как ненаучная. По мнению Поппера следует остерегаться новых теорий, находящихся на слишком высоком уровне универсальности, то есть слишком далеко от уровня достигнутого (экспериментальной) наблюдательной наукой данного периода [12, c. 224-225], т. к. по его мнению, это дает начало "метафизическим системам". Например, инфляционная теория не может на данном этапе эволюции физики и космологии получить прямое эмпирическое подтверждение, хотя она и предлагает новые проверяемые факты, а также содержит предыдущую теорию в качестве "частного случая". Таким образом, гносеологическая установка предполагающая "сдерживание" движения к большей универсальности, может оказаться несостоятельной именно сегодня, когда "непосредственное наблюдение" вообще подчас затруднено. Е. П. Никитин справедливо отмечает, что проблема "универсальности" (в широком смысле) оказалась неразрешимой в рамках эмпиризма [26, c. 86-100].

Итак, мы видим, что в современной космологии с ее "слишком" универсальными теориями как никогда возрастает роль внутритеоретических критериев обоснования. "На некоторых этапах исследования в таких науках как физика возможно относительно самостоятельное развитие теории - на основе ее собственной логики, иногда даже без обращения к эксперименту или наблюдению" [27, 5]. При этом заметим, что сами авторы новых космологических сценариев не ориентированы сознательно на элиминирование опыта или "априорные программы". Как раз наоборот. Их достижение в том и состоит, что требуемый канонами новоевропейской науки опыт (опытное подтверждение), они, если он уже имел место в теориях-предшественниках меньшей степени универсальности - прекрасно поглощают, то есть факты "старого" опыта органично встраиваются в их концептуальную систему, или, если он места не имел, предсказывают в виде новых фактов. Все это побуждает нас предположить, что современная ситуация в космологии, характеризуемая нами как "стадия эмпирической невесомости теории", есть не случайное событие и не субъективная ее интерпретация, а фундаментальная характеристика той формы и того типа знания человека о Вселенной, который только и может иметь "умозрительный" характер, относясь к внешнему инструментальному опыту как к явлению подчиненному. При этом увеличивается роль опыта теоретического, внутреннего, осуществляемого через внутритеоретическое обоснование.

Так в силу того, что сама новая инфляционная теория также неоднородна, т. е. включает несколько сценариев, то по отношению к ней вновь приобретает эвристическое значение установка на максимальную простоту господствующей космологической модели в господствующей космологической теории. Как известно из истории создания теории инфляционной Вселенной было предложено несколько сценариев. А. Д. Линде выделяет в своей монографии три варианта: первоначальный, новый и хаотический [3]. Тогда как А. Виленкин насчитывает четыре: "стандартный", хаотический, сценарий Старобинского и сценарий Калуцы-Клейна, а по существу предлагает - пятый, в котором Вселенная возникает посредством квантового туннелирования из "ничего" [39, с.707].

Для удобства исследования, за основу возьмем ту классификацию, которая предложена Линде и разделяется многими космологами, например С. Хокингом [40]. В связи с проблемой простоты интересно рассмотреть переход от второго варианта к третьему, т. к. именно третий вариант был действительно революционным шагом вперед, позволившим решить проблемы фридмановской космологии.

Предыдущий (второй) сценарий оставался незавершенным из-за того, что при его "реализации в теорию вводилось дополнительное киральное суперполе" [28, с.1594]. Эффективным же потенциалом этого поля является потенциал V(z, z*) . Но из-за произвольной функции (z) входящей в произвольный суперпотенциал, оставался произвольным и вид V(z, z*). Другими словами, введением дополнительного кирального поля нарушается простота теории, а проявлялось это в произвольном значении функции (z). По мнению автора этого варианта теории, ее преимущества заключаются в том, что "в отличие от всех других теорий, рассмотренных до сих пор, для обеспечения большего раздувания и малости величины 10-4 не требуется введенная никаких дополнительных малых параметров" [28, 1599]. Новая теория оказывается свободна от дополнительного суперполя точно так же, как в свое время оказалась свободна от введения космологического члена теория Фридмана. "Упрощение" теории в свою очередь ведет к получению на выходе более адекватных наблюдательным данным значений космологических параметров. Выход инфляционной теории на новый уровень универсальности ставит еще одну очень важную проблему соотношения собственно космологических теорий (космологии вообще) с собственно физическими теориями (физикой вообще). Как сегодня установить границу космологии по отношению к физике? Например, исследование калибровочных полей в рамках современной космологии все равно остается собственно физической проблемой, с одной стороны, и является в такой же мере космологической проблемой, с другой стороны. Предсказания Теории Великого Объединения носят вообще чисто космологический характер, т. к. "лабораторией", в которой возможно ставить эксперименты с энергиями порядка 1015 ГэВ, была Вселенная на ранних стадиях ее эволюции (момент рождения). Поэтому можно утверждать, что на современном уровне развития космологии как самостоятельной науки, сохраняет силу фундаментальная зависимость космологии от физики, т. е. вырастая из физических теорий, космологические теории получают первоначальное обоснование именно в рамках теорий физических. Например, в начале и середине 20 в. предпочтительнее было строить космологическую теорию на базе ОТО, т. к. ее уравнения содержат в себе закон сохранения энергии, чего нельзя было сказать о многих других теориях гравитации (космологии) - теория, включающая С-поле и т. д. Здесь открывается возможность проанализировать взаимовлияние физики на космологию, с одной стороны, и космологии на физику, с другой стороны. Где кончается физика и начинается космология? Вероятнее всего там, где законы локальной физики обнаруживают границу своего применения при экстраполяции на крупномасштабную структуру Вселенной. И это был бы естественный ответ для "классической" физики. Однако квантовые флуктуации вакуума при очень высоких энергиях порядка 1014 - 1019 ГэВ, в локальной физике принципиально ненаблюдаемы. Этот и другие факты научного исследования позволяют решить проблему границы физики и космологии путем устранения этой границы вообще. То есть все современные фундаментальные физические теории являются одновременно и космологическими теориями. Это означает, что затруднительно указать "локальную" границу применеия ОТО, квантовой гравитации, неравновесной термодинамики и т. д. Ньютоновская механика была в такой же мере космологической теорией, как и современная релятивистская и квантовая механика и их объединение. Более того, учитывая отборочный характер антропного принципа, нашу "избранность" во Вселенной по многим параметрам, можно предположить, что существование человека тоже носит глубоко космологический характер* [29]. В этом смысле получает совершенно иное звучание концепция Бонди и Гоулда о фундаментальности космологии по отношению к физике [30, 5].

Наглядным подтверждением взаимообусловленности современной космологии и физики является проблема эмпирического обоснования инфляционной теории. Например, для решения проблемы барионной асимметрии, во Вселенной предсказывается существование суперсимметричного партнера гравитона, а, именно, - массивного, со спином 3/2, с массой 102 ГэВ гравитино. А единственный путь обнаружения гравитино связан со сценарием раздувающейся Вселенной. Причем, "для того, чтобы это решение оказалось совместимым с наблюдаемой распространенностью дейтерия и гелия - 3, температура Вселенной после разогрева не должна превышать 108 ГэВ" [31, 4].

Поэтому инфляционная теория, вернее проблема ее наблюдательного подтверждения, на сегодня является трудноразрешимой в рамках земной экспериментальной физики. Названные выше и другие трудности в эмпирическом (наблюдательном) обосновании инфляционной парадигмы, безусловно, стимулируют научный поиск, ставящий задачу их преодоления. Так, в последние годы ведутся интенсивные исследования по обнаружению безмассовых и очень легких бозонов в солнечном излучении, существование которых предполагается как раз в тех теориях физики - теория супергравитации и теория суперструн - которые используются в качестве основы для инфляционной парадигмы [41]. Трудность их обнаружения имеет пока чисто инструментальную природу, т. к. "применяемые ранее детекторы чувствительны к аксионам с массой менее 0,1 эВ" [41, 737]. Именно аксионы и другие частицы этого же класса являются претендентами на роль того субстрата, который несет ответственность за "скрытое вещество" (dark matter) во Вселенной [42].

Появляются работы [43], в которых утверждается об открытии анизотропии реликтового излучения предсказанного инфляционными теориями.

Между тем, эти и другие исследования в "прикладном" разделе космологии дают результаты, которые рано считать окончательными в отношении наблюдательного (экспериментального) подтверждения инфляционной теории. Теория и сегодня продолжает находиться на стадии "эмпирической невесомости".

Однако пессимистические оценки инфляционной теории как ее противниками (представители альтернативных направлений в космологии и здоровый критицизм в среде самих ученых) (44), так и сторонниками "сдерживания" роста универсальности (философы науки), нам представляются не до конца обоснованными в силу следующих замечательных свойств этой теории:

1. Инфляционная теория дает новые проверяемые предсказания, в сравнении с теорией Фридмана-Леметра. 2. Инфляционная теория может рассматривать ретроспективно те эмпирические подкрепления, которые имела теория Фридмана-Леметра как свои, ибо содержит последнюю теорию как стадию (предельный случай) в своем более универсальном описании эволюции Вселенной. Другими словами, та "часть" инфляционной теории, которая соответствует фридмановской эволюции - эмпирически обоснована. Но это "косвенное", а не "прямое" подтверждение (обоснование), и поэтому не может играть решающей роли. 3. В истории естествознания очень редки те случаи, когда рука экспериментатора движется непрерывно вслед за рукой теоретика. Между "открытием" явления на бумаге и его подтверждением в действительности, как правило, лежит временной отрезок, длительность которого может быть сколь угодно большой. Это означает, что инфляционная теория в обозримом будущем возможно будет либо подтверждена, либо опровергнута. Эти три момента, на наш взгляд, существенно меняют пессимистическую оценку перспективной теории в современной космологии.

Возвращаясь к предсказаниям инфляционной теории напомним, что главным источником гравитино после космологической инфляции является процесс, в котором, в результате взаимодействия скалярной частицы с калибровочным фермионом, получается гравитино и калибровочный фермион. Другими словами, космологическая инфляционная теория, построенная на базе супергравитации - заранее оговаривает условия (наличие гравитино), которые могут дать ее эмпирическое обоснование. Предсказание существования гравитино со спином 3/2 связано с открытием нового типа симметрии в мире - суперсимметрии, которая в отличие от предыдущих типов симметрии (классических), позволяет соединять частицы с целым и полуцелым спином в единый "мультиплет". Та инфляционная теория, которая построена на базе супергравитации, приводит к тому, что суперсимметрия выступает как ее обосновывающий фактор. Новый принцип суперсимметрии придает космологической теории Линде больший эвристический вес, нежели классические типы симметрии - ставшей уже классической теорией Фридмана-Леметра. Теория Фридмана-Леметра была построена с учетом симметрии, существующей только в "ставшем" после фазового перехода мире, инфляционная же теория построена с учетом симметрии не только "ставшего мира", но и мира перед становлением, до перехода вакуума из одного фазового состояния в другое, где в качестве переносчика такого рода взаимодействий предлагается легчайшая суперсимметричная частица хиггсино [45, с.162]. Следовательно суперсимметрия выступает как обобщение симметрий, которые Вигнер обозначал как геометрические (динамические - распространяются на гравитационные и электромагнитные взаимодействия) и негеометрические (распространяются и на сильные взаимодействия) [33, c. 23-31].

Другим фундаментальным предсказанием является предполагаемое существование стенок домена (неоднородности), размеры которой превосходят горизонт видимой Вселенной. Это создает принципиальное затруднение в наблюдательном подтверждении. Надежда подтверждения может базироваться только на каком-либо теоретическом или опытном прорыве за рамки существующего уровня развития науки и всей человеческой практики в целом.

Не менее серьзные трудности связаны и с обнаружением магнитных монополей - частиц, рождающихся в момент фазового перехода.

Наблюдательное подтверждение этих трех и других предсказаний инфляционной теории* в настоящий момент затруднено** . В силу этого, она продолжает оставаться на стадии эмпирической невесомости. Поэтому, для того, чтобы упрочить положение инфляционной теории среди других конкурирующих с ней концепций Вселенной, целесообразнее учитывать ее собственно теоретические достоинства. Здесь на первый план выступает способность теории решать проблемы фридмановской теории с учетом последних достижений в ядерной физике и квантовой механике, с одной стороны, и соответствие самой ее теоретической основы - совокупности идеалов и норм построения научного знания, с другой стороны. Выше уже было показано соответствие инфляционной теории в новой редакции Линде, требованиям соответствия, простоты исходных принципов, красоты построения и независимости теории от граничных условий. Кстати, последнее требование было и осталось действительным идеалом в космологии, на который давно ориентировало свое исследование подавляющее число космологов.

Таким образом, ситуация создавшаяся в космологическом исследовании позволяет сформулировать основной вопрос относительно решения проблемы эмпирической обоснованности, теперь уже не только космологии, но и с учетом процессов взаимопроникновения - и всей новой физики: отказывается ли современная космология в лице инфляционной теории от эмпирического критерия истинности, как от преходящего, обусловленного невысоким уровнем знания человека о фундаментальных структурах мира? Ответ на него следует, на наш взгляд, искать не в сегодняшнем дне с его неустойчивыми симпатиями к тем или иным гносеологическим установкам, а в истории научного мировоззрения как такового. Установка науки, начиная с Нового Времени и кончая недавним прошлым, была всегда ориентирована на опытное подтверждение. Основы этого подхода были заложены Галилеем и его последователями. Именно потеря этой установки, которая наметилась в 30-е годы в работах Милна, Уокера, Эддингтона и Дирака, беспокоила сторонников "индуктивной программы" построения космологического знания. По образному выражению Х. Дингла: "Ньютон не имел недостатка в воображении, но он скорее предпочел бросать камни, чем следовать свиньям Гадарина даже тогда, когда океаном перед ним была истина. Милн и Дирак, наоборот, ныряют с головой в океан "принципов" их собственного производства и, или игнорируют камни, или рассматривают их как препятствие" [15, 786].

Действительно, наука Нового времени есть детище опыта и эксперимента. Поэтому отказ в ее рамках от устоявшихся канонов с необходимостью поставил бы под сомнение принадлежность современных космологических теорий - науке такого типа. Однако сама нововременная наука претерпела в своих основах существенные изменения и, следовательно, выход из создавшегося положения может быть обнаружен через переинтерпретацию самого понятия науки [46, 414], которое сегодня связывается с ее постнеклассическим периодом. Выход космологии и фундаментальных физических теорий к вопросам о происхождении мира [35], зависимости характеристик физической реальности от наблюдателя и др., является для классического типа науки не только неожиданным, но и противоречащим стандартам научного исследования в ее рамках. Так в конце 18-го - начале 19-го века, когда принципы нового научного мировоззрения, сформулированные Галилеем, Ньютоном, Лейбницем, Декартом и другими его родоначальниками стали общепринятыми, Вселенная еще отождествлялась с Галактикой и исследователи, например, У. Гершель, предпочитали говорить об эволюции видимой звездной Вселенной, а не о Вселенной как целом [36, с.210].

Таким образом, изменение типа и характеристик науки не может не повлечь за собой изменение ее эпистемологических идеалов, которые теперь уже на новом уровне не есть просто субъективное желание ученого построить "априорную геометрию", а объективно затребованы к жизни потребностями отображения самого изменившегося предмета космологии. Отвечая на вопрос "почему?", а не на вопрос "как?" [3, с.33] и обращаясь к процессам имевшим место в "момент" рождения наблюдаемой Вселенной, космология, безусловно, не может прямо апеллировать к опыту (наблюдению). То, что для Ньютона было делом Бога и носило в его "Математических началах" характер "метафизического комментария", сегодня стало собственным делом физики и космологии. Означает ли это потерю космологическими теориями статуса научности? Безусловно нет. Инфляционная теория, чтобы стать полноценной теорией науки, в ее классическом понимании, должна иметь в конечном счете прямое или опосредованное опытное (экспериментальное) подтверждение. Однако на сегодняшний день она не имеет такого обоснования вновь предсказанных ею явлений реальности. Означает ли это, что инфляционная теория - фантастическая гипотеза, красивая и привлекательная, но не имеющая никакого отношения к действительности, а значит, и к науке? Думается, что ответ лежит в иной плоскости и сводится к двум положениям. Первое: инфляционная теория находится на стадии "эмпирической невесомости", а, следовательно, за отсутствием наблюдательных (экспериметальных) данных о предсказанных ею явлениях, первостепенное значение приобретают внутритеоретические критерии обоснованности. Более того, cама еще не получив подтверждения, инфляционная теория, в силу ее внутритеоретической обоснованности и научной продуктивности, становится критерием реалистичности - осознана необходимость включать инфляционную стадию не только в выдвигаемые космологические сценарии* , но и в фундаментальные физические теории - теорию супергравитации, теорию суперструн [3, 5-6]. Второе: уникальность исследуемого объекта - Вселенная на самых ранних стадиях ее эволюции и в "момент" рождения - позволяет предположить, что стадия "эмпирической невесомости" может иметь тенденцию к увеличению своей протяженности во времени. Тем самым еще более значимыми становятся внутритеоретические критерии обоснования космологического знания, а помня о малопродуктивности для оценки научной теории косвенной эмпирической верификации - они становятся, по существу, единственными критериями обоснованности, что неявно признается самими исследователями в космологии, уже сейчас, до всякого подтверждения, считающими и признающими совокупность инфляционных сценариев состоявшейся космологической теорией и даже новой парадигмой [3, с.60-61]. Возникшее положение не является беспрецендентным в истории человеческого знания вообще и науки в частности. Тем более оно не означает "скандала в науке" или ее "конца", о котором говорят Гриббин и Рис [47, с.287]. Просто потребности современного состояния космологии и фундаментальной физики побуждают по-новому, а точнее по-старому, осмыслить само понятие "научное знание" и "научный опыт"** . Почему по-старому, потому что уже античность знала опыт теоретический: проверку свойств рационально заданного предмета - рациональными же средствами, то есть проверку в самом разуме. Такое понимание опыта кажется с позиций нововременных канонов - кощунством. Но именно новация возрожденческой и нововременной науки - эксперимент с реальностью - поставила эту реальность в такие условия, в которых кощунством выглядит сама эта новация. Произойти это могло только при условии полной десакрализации самой этой реальности. Мы, конечно, далеки от того, чтобы сегодня делать окончательные выводы. Но все же нам представляется, что само смещение акцентов в структуре научного познания фундаментальных свойств мира от обязательного инструметального экспериментирования с реальностью к ее воспроизведению в "умном опыте", является обнадеживающим штрихом в контуре той будущей науки, которая сегодня еще только прорисовывается и предварительно называется "постнеклассической". Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 94-06-19814).

Инфляционный этап космологии - Астрономия и современная картина мира

Похожие статьи