Гипотеза «бутстрапа»

Гипотеза «бутстрапа»

Западная наука всегда считала смысл своей деятельности в том, чтобы открывать и описывать фундаментальные законы природы. Однако описание природы с помощью законов и принципов возможно лишь с ограничениями, поскольку само представление о природе у нас ограниченно. Никакая теория не в силах дать полного и исчерпывающего представления об Универсуме.

Например, до недавнего времени считалось, что законы природы – это законы теории относительности и квантовой теории. Однако выяснилось, что их недостаточно для того, чтобы описать нелокальность.

Уникальное явление нелокальности натолкнуло ученых на мысль, что строение мироздания не может сводиться к каким-либо фундаментальным, элементарным конечным единицам, таким как элементарные частицы или фундаментальные поля. Появилась гипотеза о том, что мироздание следует воспринимать как сочетание определенных типов взаимоотношений между определенными группами объектов.

По словам Гейзенберга, «в современной физике мир делится не на различные группы объектов, а на различные группы взаимоотношений… Единственное, что поддается выделению, – это тип взаимоотношений, имеющих особенно важное значение для того или иного явления… Мир, таким образом, представляется нам в виде сложного переплетения событий, в котором различные разновидности взаимодействий могут чередоваться друг с другом, накладываться или сочетаться друг с другом, определяя посредством этого текстуру целого».

Известный ученый физик-теоретик Б. Палюшев пишет по этому же поводу следующее: «Элементарность в природе сводится к отношениям, а не к типам вещественных составляющих… Природа делима до сущностей, которые определяются не вещественными структурами, а типом взаимоотношений» (1).

По его мнению, фундаментальные физические взаимодействия, какими являются сильное, слабое и электромагнитное, определяют один из двух основных видов таких взаимоотношений между реальными физическими объектами. Носителями отношений, характерных для этих типов взаимодействий, являются квантовые частицы. Другой тип взаимоотношений в структуре реального мира определяется геометрическими свойствами. Для осуществления равновесия в этих взаимоотношениях могут служить гравитационное взаимодействие и торсионные поля. Носителями отношений, характерных для этих типов взаимодействий, являются фитоны (2). Ниже о фитонах будет сказано подробнее.

По мнению ученых, разделяющих подобную точку зрения, мир как система строится именно на основе взаимоотношений. А это означает, что все явления и процессы каким-то образом связаны между собой, и для того чтобы объяснить каждое из них, мы должны узнать сущность всех остальных. Следовательно, природу нужно воспринимать в ее самосогласованности, когда составные части материи обнаруживают согласованность друг с другом и с самим собой.

Эта идея возникла в русле теории S – матрицы, а в дальнейшем легла в основу так называемой гипотезы «бутстрапа» (англ. bootstrap – обратная связь). Крестный отец и основной защитник этой гипотезы американский физик-ядерщик Джеффри Чу использовал ее для построения целой общефилософской системы бутстрапа, а также (в соавторстве с другими физиками) для того, чтобы сформулировать частную теорию частиц на языке S ?матрицы. Чу посвятил описанию гипотезы «бутстрапа» несколько статей, которые легли в основу последующего изложения его взглядов (3).

Немного об S-матрице. Одно из самых общих свойств микромира – универсальная взаимная превращаемость частиц. Например, при столкновении протонов и нейтронов могут рождаться пи-мезоны, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т. д. Для описания таких динамических процессов требуется переход к квантовому волновому полю, то есть создание квантовой теории систем с бесконечным числом степеней свободы – квантовой теории поля. Например, положение частицы в каждый момент времени определяется заданием всего трех координат. А для полного описания электромагнитного поля в любой момент времени требуется знать напряженности электрического и магнитного полей в каждой точке пространства, то есть требуется задание бесконечного числа величин.

Квантовая механика сблизила частицы и поля. Согласно ей, электромагнитное излучение порождается и поглощается дискретными порциями – квантами, или фотонами, которые, как и частицы, имеют определенную энергию и импульс. Но поскольку вовлекаемые в процессы столкновения энергии велики, а значит, велики и скорости, то для рассмотрения этих процессов необходимо привлекать теорию относительности.

Однако совокупное влияние теории относительности и квантовой теории заключается в том, что взаимодействие тех или иных частиц не может быть точно локализовано в пространстве и времени. Согласно принципу неопределенности, при более четкой пространственной локализации взаимодействия частиц возрастает неопределенность их скоростей, а следовательно, кинетической энергии. Рано или поздно запас кинетической энергии окажется достаточным для образования новых частиц, после чего, однако, нельзя будет с уверенностью утверждать, что мы имеем дело с тем же самым процессом. Поэтому теория, объединяющая квантовую теорию с теорией относительности, должна отказаться от точного местонахождения частиц.

Эту проблему решает теория S – матрицы. Вообще, математическая матрица – это прямоугольная таблица (набор ячеек) каких-либо элементов (чисел, математических выражений), состоящая из m – строк и n – столбцов. Над матрицей можно производить действия по правилам матричной алгебры. Матрицы используются во многих разделах математики и физики, в частности при исследовании m – линейных уравнений с n – неизвестными.

S – матрица, или матрица рассеяния, представляет собой совокупность величин, описывающих процесс перехода квантово-механических систем из одних состояний в другие при их взаимодействиях (рассеянии) (4). Ключевое понятие теории, S – матрица, было впервые предложено Гейзенбергом в 1943 году. Буква S сохранилась от полного названия этой матрицы, которая звучит как «матрица рассеивания» (англ. scattering – рассеивание) и используется для обозначения процессов столкновений, или «рассеиваний», численно преобладающих среди всех реакций частиц.

При взаимодействии система переходит из одного квантового состояния, начального, в другое, конечное. Если обозначить набор всех квантовых чисел, характеризующих начальное состояние, через i, а конечное – через j, то амплитуда перехода (амплитуда процесса), квадрат модуля которой определяет вероятность данного процесса, может быть записана как S_ji. Совокупность амплитуд процессов образует таблицу с двумя входами (i – номер строки, j – номер столбца), или бесконечную последовательность ячеек, которая и называется матрицей рассеяния.

Словом, матрица рассеяния представляет собой набор вероятностей для всех возможных реакций между частицами, участвующими в сильных взаимодействиях. (4).

Теория S – матрицы указывает точные значения только для импульсов частиц и умалчивает о том участке пространства, в котором происходит соответствующая реакция. Она переносит акценты с объектов на события; предмет ее интересов составляют не частицы, а реакции между ними. Используя математический аппарат теории относительности, она описывает все свойства частиц в терминах вероятностей реакций, устанавливая, таким образом, тесную взаимосвязь между частицами и процессами. В каждой реакции принимают участие различные частицы, которые связывают ее с остальными реакциями, формируя единую сеть процессов.

С целью построения математической модели, описывающей сильные взаимодействия, были постулированы три принципа (3).

Первый из них является следствием из теории относительности и наших макроскопических представлений о времени и пространстве. Он гласит, что вероятность реакций (а следовательно, и элементы S – матрицы) не зависит от расположения экспериментального оборудования в пространстве и времени, от его пространственной ориентации и состояния движения наблюдателя. Этот постулат обеспечивает сохранение суммарного количества вращения, импульса и энергии, принимающих участие в реакции. Если бы результаты эксперимента менялись в зависимости от времени и места его проведения, наука в ее современном понимании просто прекратила бы свое существование. Утверждение относительно того, что результаты эксперимента не зависят от состояния движения наблюдателя, представляет собой сформулированный принцип относительности, лежащий в основе теории с аналогичным названием.

Второй основополагающий принцип (принцип унитарности) вытекает из квантовой теории; исход той или иной реакции можно предсказать только в терминах вероятностей; при этом сумма вероятностей всех возможных процессов (включая тот случай, когда взаимодействия между частицами не происходят вообще) по всем возможным каналам реакции должна равняться единице. Другими словами, можно считать доказанным, что частицы либо взаимодействуют друг с другом, либо нет.

Третий принцип имеет отношение к нашим представлениям о причине и следствии и называется принципом причинности. Согласно ему, энергия и импульсы могут совершать пространственные перемещения только при помощи частиц; при подобных перемещениях частица может возникнуть во время одной реакции и исчезнуть во время другой при том условии, что последующая реакция происходит позже, чем предыдущая.

Сегодня в физике частиц такой модели, которая удовлетворяла бы требованиям всех трех принципов, пока создать не удалось.

Философия бутстрапа. Джеффри Чу, выдвигая гипотезу «бутстрапа», предполагает, что трех указанных принципов вполне достаточно для исчерпывающего описания всех свойств S – матрицы, а значит, и всех свойств частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.

Если дело обстоит именно так, то философские следствия такой теории будут иметь просто колоссальное значение. Каждый из трех принципов связан с методами организации наблюдений и измерений окружающего мира, то есть с научным подходом. Если структура частиц, участвующих в сильном взаимодействии, определяется только этими принципами и ничем иным, это означает, что основные структуры физического мира в конечном счете определяются только нашим взглядом на мир.

Мы должны считаться с возможностью того, что когда-нибудь все свойства субатомных частиц будут восприниматься как следствия этих принципов, а значит, как часть нашего научного мировоззрения. Предположение относительно того, что именно этому обстоятельству предстоит в дальнейшем стать фундаментальным положением физики частиц, неизбежно должно будет отразиться на более частных теориях электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий, и это не может не казаться нам в высшей степени удивительным и парадоксальным. Если данное предположение будет обосновано и доказано, современная физика придет к тем же выводам, что и восточные мудрецы, и признает, что все структуры физического мира – не что иное, как майя, или «одно лишь» сознание (3).

В этих словах выражена суть общефилософской системы бутстрапа.

В контексте нового подхода Вселенная рассматривается в качестве сети взаимосвязанных событий. Ни одно из свойств того или иного участка этой сети не имеет фундаментального характера; все они обусловлены свойствами остальных участков сети, общая структура которой определяется универсальной согласованностью всех взаимосвязей. Неделимая Вселенная, внутри которой все вещи и явления неразрывно связаны друг с другом, вряд ли имела бы смысл, если бы она не обнаруживала внутренней последовательности и взаимосогласованности частей целого.

В принципе, философия бутстрапа представляет собой кульминационное проявление того способа мировосприятия, который в свое время лег в основу квантовой теории, постулировавшей всеобщую сущностную взаимосвязанность всех явлений, приобрел свое динамическое содержание в теории относительности и был сформулирован в терминах вероятностей реакций в теории S – матрицы.

Однако философия бутстрапа не только отрицает существование фундаментальных компонентов материи, но и вообще отказывается от использования представлений о наличии таких фундаментальных сущностей, какими являются законы, принципы и фундаментальная структура материи. Во Вселенной, представляющей собой неделимое целое, все воплощения которого текучи и изменчивы, нет места для одной устойчивой фундаментальной сущности. Поэтому разговор о каких-то фундаментальных объектах, каковыми являются, например, элементарные частицы, беспредметен. Каждая элементарная частица содержит в себе все остальные, хотя в то же время она может быть составной частью таких же «элементарных», но отличных от нее объектов. При этом она порождает другую реальность, которую нельзя отнести к обычным представлениям о пространстве и времени (3).

Словом, Вселенная представляет собой неразрывное целое, части которого переплетаются и сливаются друг с другом, и ни одна из них не является более фундаментальной, чем другие, так что свойства одной части определяются свойствами всех остальных частей. В этом смысле можно говорить о том, что каждая часть мироздания «содержит» в себе все остальные части (Все во Всем!).

При таком подходе мировосприятие современной физики обнаруживает столько общих черт с восточной философией, что эти два направления человеческой мысли перестают противоречить друг другу как в общих вопросах философского характера, так и в частных вопросах строения материи. Осознание всеобщей слитности и нераздельности мироздания представляет собой одну из важнейших характеристик мистического мировосприятия. В определенном смысле требование внутренней согласованности, лежащее в основе гипотезы «бутстрапа», и принцип единства и взаимосвязанности всего сущего, которому придается такое большое значение в восточных мистических учениях, представляют собой только два различных аспекта одной и той же идеи.

Мировоззрение восточных мистиков и философия бутстрапа в современной физике объединяются не только подчеркнутым вниманием к взаимосвязанности и самосогласованности всех явлений, но и отрицанием фундаментальных составных частей материи. По словам Шри Ауробиндо, «ничто в супраментальном смысле в действительности не является конечным; это основано на чувстве всего в каждом и каждого – во всем».

В такой системе мироздания основную роль играют фундаментальные виды отношений между материальными компонентами, а не установленный статус каких-то конкретных материальных сущностей, называемых фундаментальными составляющими мира, подчиненными законам, которые описывают только часть этих отношений. Согласно философии бутстрапа, с прогрессом нашего знания о мире все фундаментальные законы и утверждения в физике постепенно получат свое объяснение. Фундаментальная физика не будет содержать никаких необъяснимых «фундаментальных» констант, положений и законов. Ибо новое представление о единстве мира окончательно отрицает идею о том, что мир можно разложить на самостоятельные, независимые друг от друга части.

Поскольку невозможно отделить наблюдаемое от наблюдателя, то, следовательно, все процессы и явления, которые мы наблюдаем в этом мире, являются результатом деятельности нашего собственного наблюдающего и изменяющего сознания.

По мнению Джеффри Чу, автора идеи бутстрапа, применение методики бутстрапа для анализа явлений непременно приведет к необходимости открыто включить рассмотрение человеческого сознания в будущие теории материи. Чу пишет: «Будучи доведена до своего логического завершения, теория бутстрапа предполагает, что существование сознания наряду с существованием всех остальных аспектов природы необходимо для самостоятельного существования целого» (3).

Таким образом, следуя философии бутстрапа, сознание должно представлять собой неотъемлемый компонент Вселенной, который в будущем войдет в теорию физических явлений.

Кроме Чу в этом направлении движутся и другие физики. Среди последних исследований одним из самых неожиданных подходов характеризуется теория Дэвида Бома, который, по всей видимости, пошел дальше всех в изучении соотношения между сознанием и материей в научном контексте. А голографическая модель Вселенной Бома по сути является реализацией философских идей гипотезы «бутстрапа», хотя и появилась практически одновременно (примерно в середине 60-х годов XX веке), но независимо от нее.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.