Современная космология: философские горизонты

Назовем период существования Вселенной, в течение которого ее размеры изменялись от планковского до атомного, эпохой квантовой Вселенной или эпохой квантовой космологии. Поскольку мы начали обсуждение на уровне «простейших соображений», то и в этом случае выделение квантовой Вселенной в качестве определенного приближения является вполне допустимым. Такое подробное обсуждение в общем-то известных вещей нам было необходимо для того, чтобы показать важнейший для дальнейшего обсуждения момент: по крайней мере на определенном этапе своей эволюции Вселенная была квантовым объектом¹. Но тогда квантовая Вселенная как квантовый объект (квантовая система) должна обладать квантовой онтологией, описанной в разделе 1. Можно ли сказать, что наша Вселенная как целое действительно обладает всеми этими квантовыми особенностями бытия?

Но это не единственный вариант понимания квантовой Вселенной. Согласно квантовой механике можно написать волновую функцию как для макроскопической экспериментальной установки с «котом Шредингера», так и для всей Вселенной. Получается, что не только микроскопический, но и макроскопический и даже мегаскопический космологический уровень тоже являются квантовыми. С точки же зрения эвереттовского подхода квантовое описание является единственным и истинным, а все остальные — приближения, проекции, которые наше сознание воспринимает как классические миры^[188]. С этой точки зрения Вселенная всегда была и остается квантовой. Но каков тогда смысл квантованности всего и вся во Вселенной? Являются ли, например, стол и Галактика квантовыми объек-тами? В частности, обладают ли они свойством корпускулярно-волнового дуализма? Движутся ли они бестраекторно и т. д.? Очевидно, что нет. И здесь в концептуальном плане не помогает точка зрения о том, что эти уровни — всего лишь приближения. В любом исследовании всегда очень важно не пропустить новый уровень эмерджентности — появления нового качества. Макро- и мегауровни физической реальности являются новыми качествами реальности, они обладают принципиально новыми фундаментальными свойствами, и описывать, например, жизнь социума с точки зрения КТП достаточно бессмысленно, если вообще возможно (практически). Хотя, сам социум состоит из элементарных квантовых объектов и именно их взаимодействия, в конечном счете, его и определяют. Возможно, одно из активно развиваемых направлений квантовой механики — теория декогеренции — сможет разрешить проблему появления макроскопических свойств и самих макрообъектов.

И еще один вопрос, выяснение ответа на который может помочь пониманию того, что такое квантовая Вселенная: стремление понять природу квантовой Вселенной ведет к необходимости уточнить и углубить понимание того, что является квантовой теорией. Некоторым этот вопрос кажется почти метафизическим. Для работающих физиков такой вопрос представляется несерьезным. Они настолько привыкли работать в рамках квантовой теории, настолько она хорошо описывает широчайший спектр физических явлений, что с точки зрения эффективности и прагматики попытки выяснять еще какой-то смысл квантованности считаются наивными. Однако философия науки нередко находит материал для исследований именно в таких «безнадежных» вопросах. И действительно, что же такое квантовая механика? Можно ли ее однозначно определить как теорию операторного анализа в гильбертовом пространстве? Или критерием для квантовой теории может служить наличие хороших правил квантования? Или, наконец, может быть квантовой можно называть именно ту теорию, в которой присутствует постоянная Планка, а физические величины квантованы? Или только все это вместе^[189]? Естественно, что все эти неясности и нюансы только усложняют создание и понимание квантовой космологии. Для нашего дальнейшего анализа мы будем использовать понимание квантовой теории, в которой определяющую роль играет постоянная Планка и квантованность физических величин.

Таким образом, по крайней мере, на некоторых этапах своей эволюции Вселенная как целое обладала квантовыми свойствами. С методологической точки зрения простой перенос любых существующих представлений на космологический уровень всегда ограничен, хотя в современной космологии подобное нередко происходит. Это тем более справедливо для ранней (квантовой) Вселенной. В космологической литературе часто приводятся расчеты моментов времени, температуры, размеров, плотности и т. д. Вселенной для различных стадий ее эволюции, буквально перенося макроскопические представления на соответствующий космологический уровень. При этом теряется качество этого уровня реальности, и выводы оказываются пригодными только к, так называемым, моделям «игрушечного мира» (toy-world).

Рассмотрим, например, в рамках стандартной космологической модели расширяющуюся Вселенную, когда она имела размеры атома. В рамках теории можно посчитать момент времени, когда это было, соответствующую температуру, плотность и т. д. Как определенное приближение это вполне корректно, однако рассмотрим более внимательно, что может из себя представлять Вселенная-атом^[190].

Как мы уже отмечали, подобная Вселенная, как и сам атом, — квантовая система. Но известно, что очень сложные ядра атомов (трансурановые атомы) крайне неустойчивы. И это — при наличии в структуре ядра «всего лишь» порядка сотни протонов^[191]. Такой атом в целом также представляет собой крайне неустойчивую систему. Но что тогда можно сказать об атоме, в структуре которого содержится вся наблюдаемая Вселенная? Означает ли это крайнюю неустойчивость атома-Вселенной? Само собой разумеется, что подобный атом — это нечто совершенно другое и сходство с трансурановым может быть только в одинаковости масштабов (порядка 10 ⁸ см). Тем не менее, хорошо бы понять, что собой представляет онтология объекта атомного размера с Вселенной внутри. Можно ли этот объект сопоставить с каким-либо уже известным объектом, а его состояние — с каким-то уже известным состоянием материи? Конечно же, — нет. Но тогда это свидетельствует о том, что уже на космологическом уровне атома-Вселенной следует говорить о существовании новой совершенно особой формы (вида) материи. Выяснение того, что из себя представляет этот вид материи и ее формы существования (т. е. онтология) представляет фундаментальную космологическую задачу. Какую, например, внутреннюю структуру будет иметь атом-Вселенная? Вообще говоря, этот объект уникален. С одной стороны, его целостность представляет собой атом. С другой стороны, его целостность представляет собой Вселенную и имеет космологическое наполнение. Любопытно, что могли бы сказать по этому поводу теория струн или теория петлевой квантовой гравитации? То же самое (только в еще большей степени) относится и к планковскому состоянию Вселенной как еще одной форме материи.

Можно предположить, что в космологии существует многообразие онтологий, большинство из которых нам пока неизвестны. В этом плане можно принять термин П. Теллера о существовании «онтологического плюрализма»^[192]. Причем, на наш взгляд, сам плюрализм в данном случае следует понимать сугубо в объективистском смысле.

Поскольку в основании квантовой космологии кроме релятивистских лежат еще и квантовые представления, то физическое содержание этой дисциплины в существенной степени зависит от выбранной интерпретации квантовой механики. Полиинтерпретационный характер квантовой механики ставит множество проблем и в отношении построения квантовой космологии. Так, например, Р. Пенроуз отмечает, что в ранней Вселенной «не существовало экспериментаторов, проводящих «измерения», поэтому не ясно, как следует пользоваться стандартной «копенгагенской» интерпретацией…»^[193]. В силу своей нетривиальности, эвереттовская трактовка квантовой механики физически также далека от ясного понимания, и Р. Пенроуз лишь констатирует, что симметричное состояние Вселенной можно представить в виде суперпозиции многих пространственновременных геометрий. В свою очередь, наличие декогеренции, возможно, позволит «трактовать нашу квантовую суперпозицию различных геометрий как вероятностную смесь различных геометрий»^[194].

Следует обратить внимание на его точку зрения о том, что «На практике теоретики, по-видимому, склонны придерживаться некоторой формы «практической» интерпретации…»^[195]. В целом свой взгляд на концептуальную ситуацию в квантовой теории он формулирует следующим образом. «Ясно, что пока мы далеки от теории, которая смогла бы реально ответить на все эти вопросы. Но я надеюсь, что сумел убедить читателя в фундаментальной необходимости иметь квантовую механику с жизнеспособной онтологией. Эта проблема… представляет не только философский интерес»^[196]. Таким образом, ввиду неоднозначности понимания физического содержания квантовой механики как одного из краеугольных камней будущей квантовой теории гравитации в основания этой теории автоматически вкрадывается неоднозначность и неопределенность концептуального порядка.

3. Онтологический анализ фундаментальных объектов квантовой космологии (струны, браны, петли и др.)

Для построения квантовой космологии необходимо создать квантовую теорию гравитации. Считается, что квантовая теория гравитации может быть построена именно на планковском масштабе. Но в космологическом плане (момент начала расширения Вселенной) на этом масштабе, возможно, унифицируются все 4 фундаментальные взаимодействия, следовательно, единая теория должна обрести силу на планковском уровне. Отсюда следует, что в определенном смысле квантовая теория гравитации, единая теория, а также Планковская космология тождественны.

Работы по созданию квантовой теории гравитации ведутся уже более полстолетия, и вариантов такой теории было предложено достаточно^[197]. В настоящее время наибо-лее перспективными на роль такой теории считаются две теории: теория суперструн (ТСС) и теория петлевой квантовой гравитации (ТПКГ). Существует обширная литература, посвященная этим теориям¹. Нас же в данном разделе будет интересовать вопрос об онтологии фундаментальных, космологообразующих объектов этих теорий. Актуальность онтологического анализа в квантовой космологии определяется необходимостью выяснения природы экстремальных состояний материи^[198], прежде всего планковского состояния, а также в связи с глубокой опосредованностью современного физического познания.

Как уже отмечалось, на наш взгляд, на планковском уровне мы имеем дело с принципиально новым видом материального существования, аналогов чему не существует в современной физике. Это обстоятельство в решающей степени затрудняет построение теории квантовой космологии. Поэтому прежде чем обсуждать сами космологические модели, на наш взгляд, необходимо проанализировать ту объектность, которая будет представлять содержательную основу этих моделей. И действительно, фундаментальный объект ТСС — струна будет формировать одну космологию, а петля или Планковская ячейка пространства в ТПКГ — другую. Причем, как отмечает К. Ровелли, обе теории призваны описать планковский масштаб, причем именно на этом уровне они существенно различаются по отношению, например, к проблеме природы пространства-времени^[199].

Суперструна как фундаментальный объект квантовой космологии

В ТСС основным объектом является струна^[200]. Кратко опишем основные особенности этого объекта, необходимые нам в дальнейшем. Струна представляет собой одномерный физический объект планковского масштаба длины (l_Pl = 10^{– 33} см), однако исследования показывают возможность существования струн космологических размеров^[201]. Исследования показали, что струны обладают суперсимметрией, поэтому называются суперструнами, а теория соответственно — ТСС. В дальнейшем под струной всегда будет пониматься именно суперструна. Согласно теории различные моды колебаний струн представляют собой элементарные частицы и дают не только весь их набор, но и много других частиц. Последнее является одной из трудностей теории^[202]. ТСС — теория с фоновой зависимостью. Это означает, что струны находятся в независимо существующем пространстве-времени, в котором могут передвигаться. Поскольку в отличие от ТСС общая теория относительности является фоново-независимой, в которой пространство и время являются динамическими характеристиками, то одной из важнейших задач является построение ТСС как фоново-независимой теории, если строить квантовую теорию гравитации путем квантования ОТО. Подобная стратегия еще больше обостряет проблему выяснения природы пространства и времени и их роли в физической теории.