Точка зрения

От фазовых переходов до плюрализма:
о философских вопросах физики микромира

Пристальный интерес к физике микромира со стороны философии науки в начале второй половины прошлого века был вполне объясним и большей частью продиктован парадоксами квантовой механики. Тот период был отмечен довольно регулярными встречами физиков и философов, методологическими конференциями и дебатами, в которых принимали активное участие и дубненские ученые-физики (эти дискуссии нашли свое отражение в зарубежной литературе по истории науки, вышедшей в постперестроечные годы). Однако в последние десятилетия дискуссии между физиками и философами поутихли. И если в Европе и США философские исследования проблем современной физики ведутся широко (отметим, например, работу центра в Германии, сотрудничающего с LHC), то в России и Дубне, несмотря на активную вовлеченность в домашние и международные эксперименты и коллаборации, представляется, интерес к теме, в свое время стимулировавшийся научно-философскими конференциями, практически сошел на нет. Тем не менее философия науки может играть методологическую роль в современных физических исследованиях. Автор хотел бы привлечь внимание лишь к некоторым проблемам физики, где философия выполняет смыслопорождающую функцию.

Как известно, реализуемый в Дубне проект NICA ставит своей задачей создание кварк-глюонной плазмы в состоянии, соответствующем первым мгновениям после Большого Взрыва, и планирует изучать барионную материю при ее плотностях, когда ожидается фазовый переход (либо переходы различного рода) между адронной материей (нуклонами в сталкивающихся ядрах золота) и кварк-глюонной материей, где четкие границы между нуклонами отсутствуют. Однако само понятие фазовых переходов давно привлекает внимание философов и ведущих теоретиков (таких как Л.Каданофф). Дело в том, что фазовые переходы - процессы, при которых термодинамические потенциалы (или их производные) меняются скачкообразно, - с теоретико-модельной точки зрения возможны только в системах с бесконечным числом степеней свободы (что на практике означает с бесконечным числом частиц). Иначе говоря, если испарение воды из чашки - фазовый переход, то чашка теоретически должна содержать бесконечное число молекул воды.

Но на опыте мы хорошо знаем, что маленькие объемы воды испаряются очень неплохо. Получается, что теория фазовых переходов описывает какие-то другие, идеализированные системы, а не те, что мы видим в эксперименте, ведь в двух сталкивающихся ядрах золота на NICA суммарно всего около четырехсот нуклонов, а вовсе не бесконечность! Из этого можно заключить, что теория фазовых переходов имеет предсказательную силу (мы легко можем посчитать, сколько энергии нужно, чтобы испарить чашку воды или "расплавить" нуклоны в ядре золота), но не имеет для эксперимента силы объяснительной, поскольку не позволяет нам понять, что именно происходит в системе. Есть философы, которые считают этот парадокс мнимым, говоря, что мы имеем дело с неким специфичным способом бесконечной идеализации в модели. Но тогда требует объяснения, почему именно такие модели работают в экспериментальном случае, а кроме того, можно видеть, что, размышляя о фазовых переходах, мы исследуем не фундаментальную теорию (наподобие ньютоновской гравитации), а частные модели, ценность которых для познания еще нужно обосновывать. Следовательно, нельзя утверждать, что появление в эксперименте кварк-глюонной плазмы (КГП) - фазовый переход, поскольку не до конца понятно, возможны ли они в экспериментax вообще.

Еще один круг философских вопросов, имеющий отношение к физике NICA, связан с возможным использованием в эксперименте при его интерпретации теорий, опирающихся на голографическую дуальность. Начало 1990-х годов было отмечено всплеском статей (отсылающих к пионерским работам Х. Малдасены и ряда видных зарубежных теоретиков - выходцев из СССР), в которых была доказана теоретическая эквивалентность между некоторыми теориями гравитации в пространстве анти-де Ситтера (АдС), описывающими поведение черных дыр, и теориями Янга-Миллса, которые могут описывать сильновзаимодействующие частицы (как КХД). Уникальность данного подхода в том, что теоретики получили возможность выводить формулы для черных дыр и получать из них напрямую формулы для КГП. Характеристики КГП в NICA (гидродинамическое поведение) будут даже больше подходить для дуальности с АдС, чем при параметрах RHIC.

С философской точки зрения, доказательство такой теоретической эквивалентности свидетельствует об онтологическом плюрализме, так как одна (глобально) теория постулирует различные сущности (глюоны и гравитоны). Спор между редукционизмом - учением о том, что свойства всех сущностей сводятся к свойствам их элементарных частей - и антиредукционизмом - один из старейших в истории философии, и онтологический плюрализм предоставляет сильный аргумент в поддержку последнего. Практически для NICA это будет означать, что много лет нерешаемую проблему описания системы, для которой плохо работают методы традиционной КХД, можно будет не только описать, заимствуя формализм из теории гравитации, но даже объяснить этой же теорией. Есть и другой интересный аспект этой проблемы. Философы науки спорят о том, является ли подобная дуальность чисто инструментальной (технически дающей удобные формулы для КГП, что тоже немаловажно) или может позволить делать на основе изучения кварковых явлений выводы, касающиеся гравитации и черных дыр. Здесь еще требуется серьезная философская работа, однако перспектива изучать экспериментально физику черных дыр (недоступных непосредственно в опыте), сталкивая ядра золота, представляется многообещающей.

Вопросы плюрализма встают в современной физике элементарных частиц, с точки зрения философии науки, довольно регулярно. Множество экспериментальных и теоретических исследований ведутся в мире (в том числе при участии ученых ОИЯИ) по поиску проявлений физики за пределами Стандартной модели (СМ). Эффекты, которые могут указывать на наличие во Вселенной темной материи, и ненулевая масса нейтрино уже указывают, что есть явления за пределами СМ, и поиски в разных направлениях ведутся широким фронтом сотнями экспериментов. В качестве примера приведем совместные эксперименты MEG, COMET и Mu2e, которые ищут редкие распады (и прямую конверсию) одних частиц в другие на уровне чувствительности, где эти эффекты предсказываются не-СМ теориями (некоторые из подобных процессов искал еще Б.М.Понтекорво с коллегой Е.П.Хинксом в середине прошлого века). Это, например, редкие распады мюона и других частиц, безнейтринная конверсия мюона в электрон в поле ядра, множество других.

Конечно, за пределами СМ пока отсутствует единая теория, а создано лишь великое множество моделей, которые, "поиграв" параметрами, смогут с одинаковым успехом описать любое значение измеренного эффекта. То, что эксперименты оказываются неспецифичными, не позволяющими сделать выбор между конкурирующими теориями, - не только проблема современной физики частиц: философия науки давно указывает, что решающий выбор теории делается не экспериментом даже, а диктуется консенсусом в сообществе. Тем не менее эти эксперименты, при любом их исходе, интересны и философски.

Если не-СМ процесс будет экспериментально обнаружен, то, скорее всего, окажется, что он может быть объяснен в одних моделях как указание на существование суперсимметричных частиц (пока безуспешно разыскиваемых на LHC), в других - на частицы темной материи, в третьих - на экзотические лептокварки, в четвертых - на дополнительные измерения пространства, то есть получить взаимоисключающие толкования. Можно, конечно, верить, что при дальнейшем развитии эксперимента в пользу некоторых теорий будет получено больше подтверждений и они будут признаны более истинными, чем остальные. Однако, учитывая все растущее разнообразие теоретических моделей и их недоопределенность экспериментальной информацией (как принципиальную, так и технологическую), может оказаться, что наш мир описывается взаимоисключающими теориями, что было бы с позиций философии науки указанием уже на эпистемологический плюрализм, то есть невозможность для нас "единственно верного" описания мира. Хотите верить в суперсимметрию - пожалуйста, хотите жить в многомерном мире - нет проблем, каждый выбирает для себя. При успехе поисков нашему взору откроется сразу множество несовместимых "картин мира".

Не менее интригующим было бы даже необнаружение не-СМ эффектов строящимися экспериментами. К примеру, нынешние COMET и Mu2e будут способны "прощупать" редкие процессы на уровне вероятностей, соответствующем энергии тысячи LHC, поэтому если, например, суперсимметричные частицы не будут обнаружены, то, значит, массы частиц на много порядков превышают таковые их партнеров из СМ. А это будет означать, что в теориях, под которые строятся нынешние эксперименты, нарушается очень важный эстетический принцип - естественность, требующий, чтобы массы частиц СМ и их суперпартнеров были близки. А если естественность теорий, описывающих нашу Вселенную, нарушена, то, согласно ряду философских концепций, это оставляет место для давно обсуждаемого антропного принципа, гласящего, что наша Вселенная возникла такой, что в ней возможно появление наблюдателя, например человека. Конечно, есть разные версии антропного принципа, и появление человека может быть просто "совместимо" с существованием нашей Вселенной, а необязательно быть ее целью. Тем не менее отрицательные результаты экспериментов за пределами СМ смогут воодушевить и сторонников креационизма.

Данная статья вовсе не претендует на полноту освещения философских проблем физики элементарных частиц, однако нам представляется, что на этапе, когда вместо фундаментальных теорий сосуществует множество частных моделей, именно на философско-методологические принципы в первую очередь имеет смысл опираться в развитии научно-исследовательских программ.

P.S. Автор не обращался к идеям марксистско-ленинской диалектики, некогда популярной среди дубненских ученых, поскольку не нашел их релевантными.

Виталий ПРОНСКИХ

Об авторе. Старший научный сотрудник ЛФВЭ ОИЯИ В.С.Пронских в 2017 году опубликовал в нашей газете статью-размышление "Как привлечь выпускника в инженеры?", в 2019-м - эссе "Коллизии протонов в контексте русско-американских взаимодействий", посвященное истории первого эксперимента ОИЯИ-США на пучках ускорителя в Батавии с использованием сверхзвуковой газоструйной мишени, созданной в Дубне.