Идеи Д. И. Блохинцева в контексте современных данных

Дмитрий Иванович не только обогатил мировую науку фундаментальными работами в области физики твёрдого тела и статистической физики, акустики, физики реакторов и атомной энергетики, квантовой механики, квантовой теории поля и квантовой электродинамики, физики высоких энергий и атомного ядра, философии и методологии науки, он оставил нам свои вопросы и нерешённые задачи, стимулирующие творческую научную деятельность будущего поколения.

Его статьи и вопросы в них заставляют размышлять о вечности познания. Как возникают термины и понятия и насколько они абсолютны? Как отделить абсолютное и относительное в познании мира? Что значит физическая реальность? И как определить границы применимости понятий? [3]

Особенно поразили меня слова Дмитрия Ивановича о том, что невозможность одновременного сколь угодно точного измерения координаты и импульса частицы означает не ограниченность нашего познания, а ограниченность самих терминов (координат и импульс). В учебнике Д. И. [4] на стр. 90 это утверждение звучит следующим образом: «Неверно думать, что современный физический эксперимент недостаточен по точности для измерений “истинных” одновременных значений импульса и координаты микрочастицы. Напротив, он достаточно точен для доказательства того, что для микрочастиц одновременно эта пара не существует в природе».

В статьях и монографиях Д. И. Блохинцева квантовая физика представлена как совершенно новый этап в развитии научного познания мира, на котором человек приобретает творческую способность не только создавать новые понятия в процессе опытного познания реального, но и осознавать и предвидеть границы применимости этих понятий. Эту способность осознавать исследователем конечные пределы применимости своих понятий в процессе опытного познания природы можно назвать духовностью. Там, где эта способность отсутствует, там исследователи природы склонны отождествлять человеческую личность с бездуховным компьютером. Здесь уместно вспомнить слова А. Эйнштейна из письма к своему другу Морису Соловину о том, что он «не нашёл лучшего выражения, нежели выражение “религиозное”, для убеждения в разумной природе реальности и её постижимости человеческим разумом». И затем А. Эйнштейн добавляет: «Там, где это убеждение отсутствует, там наука превращается в бездушный эмпиризм. Чёрт с ним, если попы наживут на этом капитал» [5, с. 23]. В словах «бездушный эмпиризм» можно увидеть сомнение А. Эйнштейна в возможности каких-либо естественнонаучных и философских определений понятий «разумность» и «религиозность», и тем более «творчество» и «духовность».

Осознавая границы применимости понятий согласно принципам квантовой теории, Дмитрий Иванович, как физик-профессионал, мог «на пальцах» оценивать значение физических величин и предсказывать такие тонкие эффекты, как смещение спектральных линий, вызванного обратным действием поля излучения. Эта работа, выполненная в 1938 г., по существу содержала теорию лэмбовского сдвига, открытого лишь десять лет спустя, и послужившего началом квантовой электродинамики. Формула, полученная Д. И. в 1938 г., ещё до создания теории перенормировок, лишь на 20 процентов отличалась от знаменитой формулы Ганса Бете (1948 г.). К сожалению, эта важное открытие Дмитрия Ивановича не было по достоинству оценено современниками, а статья была отклонена редакцией ЖЭТФ. Работа стала известна научной общественности только в 1949 г. благодаря обзору Я. А. Смородинского в «Успехах физических наук» [6].

С конца 30-х годов до конца своей жизни под влиянием книги И. фон Неймана (1932 г.) и лекций академика Л. И. Мандельштама в ФИАНе Д. И. Блохинцев развивал теорию квантовых ансамблей, где волновая функция, была результатом квантования статистического ансамбля начальных данных. В 1960 г. Д. И. Блохинцев выдвигает сумасшедшую идею о том, что реалистическое понимание физического вакуума как квантового ансамбля состояний начальных данных динамических полей [7] в общей теории относительности (ОТО) даёт новые доводы в пользу существования физически выделенной системы отсчёта при описании Большого взрыва [8, с. 248]. Более того, как считал Блохинцев, космологическая эволюция такого физического вакуума, начиная со стадии Большого взрыва, есть основа для понимания возникновения элементарных частиц в момент такого взрыва. В данном случае сумасшедшая идея означает, что видимое не совпадает с истинным. Подлинная сущность явлений природы может быть скрыта космической эволюцией приборов, которые используются для наблюдений этих явлений. Такой же сумасшедшей в глазах современников выглядела глобальная революция естествознания, совершенная Н. Коперником, как коренной пересмотр научных представлений о мироздании, господствующих в умах людей на протяжении тысячелетий и основанных на вере, что Земля есть центр Вселенной, и только на Земле могут находиться все приборы наблюдений за космическими объектами. Перемещая мысленно эти приборы на Солнце, Н. Коперник обнаружил, что наблюдаемое с Земли перемещение планет-это оптическая иллюзия, возникающая благодаря космическому движению земных приборов наблюдения.

Чтобы осуществить эту «сумасшедшую» идею Д. И. Блохинцева о космической эволюции квантового вакуума как начального состояния в теории гравитации, необходимо как минимум решить проблему начальных данных в ОТО. И здесь нам помогли Владимир Александрович Фоки Поль Дирак. Фок был принципиально непримиримым оппонентом развиваемой Блохинцевым концепции квантовых ансамблей [8], забывая упомянуть о том, что автором идеи всё же был сам фон Нейман [9], в то время как Блохинцев в своих статьях критиковал Фоково понятие потенциальных возможностей. (Жаркие дискуссии по интерпретации квантовой механике отражены в статье А. А. Тяпки-на «Проблема скрытого движения в квантовой теории», опубликованной в «Трудах семинаров, посвящённых 85-летию со дня рождения Д. И. Блохинцева» [8, с. 36–80].)

В. А. Фок обнаружил, что в ОТО мы можем описывать лишь проекцию движения электрона на пространство Минковского, касательное к Риманову пространству, и именно в этом касательном пространстве Минковского должны быть заданы начальные данные всех полей, включая гравитоны. Другими словами, используя образ Платоновой пещеры, можно сказать, что наблюдатель сидит спиной к огню, пылающему в Римановом пространстве, и может видеть поля-частицы только как тени событий и отблески этого огня на стене касательного пространства Минковского. Касательное, полевое и Риманово пространства позволяют придать большую информационную ёмкость «ларцу» теории поля, где содержится вся информация о событиях, накопленная нынешним и всеми предыдущими поколениями наблюдателей в форме двух действий: действия Гильберта для гравитации и действия Стандартной модели Вайнберга-Салама-Глэ-шоу.

П. Дирак отождествил реально измеряемые расстояния с масштабно-инвариантными конформными интервалами в ОТО, изменив тем самым эталоны измерения длины, времени и массы, которые используются для описания наблюдений зависимости красного смещения спектра атомов на космическом объекте от расстояния этого объекта до земного наблюдателя. Можно сказать, следуя Н. Копернику, что П. Дирак перенёс приборы наблюдателя вместе с их эталонами на космические объекты.

Если отказаться, следуя П. Дираку, от абсолютизации земных эталонов и поместить приборы наблюдения на космический объект, где наблюдатель измеряет лишь безразмерное отношение измеряемой длины к её эталону, то обнаруживается, что наблюдаемое с Земли космическое расширение пространства есть оптическая иллюзия. Эта иллюзия возникает благодаря тому, что не была учтена космическая эволюция земных эталонов наблюдения, которая фиксируется приборами внешнего наблюдателя на космическом объекте. Внешний наблюдатель имеет возможность отождествить космическую эволюцию с эволюцией эталонов, роль которых играют массы частиц, и тем самым описать возникновение этих масс в момент Большого взрыва, в соответствии с идеей Д. И. Блохинцева о космологической эволюции квантового вакуума как статистического ансамбля.

Следуя этой сумасшедшей идее, согласно которой видимая эволюция не совпадает с истинной, мы, как евангельские рыбаки, закинули наши сети в систему отсчёта, сопутствующую реликтовому излучению и с относительными эталонами, и отделили преобразования начальных данных в ОТО от обще-координатных преобразований А. Эйнштейна. И только после такого отделения начинает работать принцип духовной нищеты квантовой теории в том виде, как его понимал Д. И. Блохинцев. В классической теории гравитации можно выбрать любые начальные данные, в том числе нулевые, которые описывают бесконечное плоское пространство Минковского. В стандартной квантовой теории поля в бесконечном плоском пространстве Минковского все бесконечности «заметаются под ковёр теории переномировок». В этом случае вместе с мусором перенормировок выбрасываются и те самые вакуумные начальные данные, которые появляются, если постулировать, что состояние квантового вакуума в теории поля есть статистический квантовый ансамбль Блохинцева-фон Неймана. Вакуумные начальные данные не могут быть одновременно равны нулю в силу соотношения неопределенностей. Именно эти начальные данные Блохинцева-фон Неймана позволяют прямо «на пальцах» дать значительное число количественных нетривиальных предсказаний, которые были обнаружены лишь в наше время, в конце двадцатого и начале двадцать первого веков, и в принципе недоступны пониманию как классической теории гравитации, так и стандартной квантовой теории поля.

Мы ограничимся здесь результатами, уже признанными научным сообществом в форме Нобелевских премий.

1. В 2011 году Нобелевская премия по физике была присуждена С. Перлмуттеру, А. Риссу и Б. Шмидту за работы, связанные с изучением Сверхновых типа la для определения параметров космологических моделей [10]. Изучая удалённые от Земли Сверхновые, наблюдатели обнаружили, что эти звёзды как минимум на четверть тусклее, чем предсказывает теория. Это означает, что звёзды расположены слишком далеко. Рассчитав, таким образом, параметры расширения Вселенной в космологических моделях Фридмана-Робертсона-Уоке-ра с произвольным уравнением состояния материи, учёные установили в рамках Стандартной космологии, что этот процесс происходит с ускорением, что соответствует ненулевому лямбда-члену. В этом случае говорят о так называемой тёмной энергии. Возникает нерешенная до сих пор в рамках Стандартной космологии проблема о происхождении материи с подобными свойствами. Эта форма материи не предсказывается классификацией частиц по представлениям группы Пуанкаре. С другой стороны, конформная модель [11, 12] космологической эволюция энергии квантового вакуума как статистического ансамбля Блохинцева-фон Неймана описывает все последние данные по Сверхновым (полученные в 1998–2007 гг.) [10] без введения механизма инфляции, основанного на гипотезе непонятной тёмной энергии [13]. Согласно конформной космологической модели [11, 12], последние данные по Сверхновым свидетельствуют, что начальное состояние нашей наблюдаемой Вселенной с минимальной энергией есть вакуум как статистический квантовый ансамбль Блохинцева-фон Неймана.

Рис. 1

На рис. 1 (взятом из работы [11]) приведена зависимость красного смещения (ось абсцисс) спектральных линий атомов на Сверхновых от расстояний до Сверхновых (ось ординат). Обсуждаются две возможности объяснения этой зависимости – космическая эволюция масс и эволюция интервалов. Первая возможность требует введения вакуумной энергии (сплошная линия) [11, 12], а вторая требует введения тёмной энергии в виде Космологической константы (нижняя светлая пунктирная линия) [13].

Авторы открытия в работах [10] признают факт существования обоих альтернативных объяснений и сравнивают результаты наблюдений в том числе и с Конформной космологической моделью [11].

В работе [11] было показано, что с учётом данных по значительно большему числу Сверхновых, интерпретация наблюдательных данных с использованием Конформной космологической модели (сплошная кривая на рис. 1) практически не уступает интерпретации в рамках моделей Фридмана-Робертсона-Уокера с ненулевым лямбда-членом (штриховая линия на рис. 1). Согласно Конформной модели, С. Перлмуттер, А. Рисе и Б. Шмидт открыли именно физический вакуум Вселенной. Во Вселенной постоянно доминирует вакуумная энергия пустого пространства. Вселенная была пустой в Начале и остаётся почти пустой вплоть до нашего времени с точностью 10–20 процентов в согласии с наблюдательными данными по содержанию материи во Вселенной. Наблюдательные данные в модели пустой Вселенной, красноречиво свидетельствуют о том, что Начало возникновения Вселенной происходило в электрослабую эпоху, когда параметр Хаббла совпадал как с массой Планка, так и со шкалой электрослабого взаимодействия [14, 15, 16, 17, 18].

2. В эту эпоху, когда параметр Хаббла совпадает с массой Планка, квантовые ансамбли Блохинцева-фон Неймана для вакуума полей Стандартной модели электрослабого взаимодействия предсказывают возникновение масс электрослабых бозонов, включая массу частицы Хиггса, выражая эти массы через параметр Хаббла [14, 15] в удивительном согласии с экспериментальным значением массы частицы Хиггса в области порядка М = 126 ГэВ. Фитирование Стандартной модели, представленное на рис. 2, демонстрирует предсказательную силу современной теории элементарных частиц.

Рис. 2

На рис. 2 представлено вычисление суммы квадратов разностей теоретических предсказаний величин и их экспериментальных значений (ось ординат) в зависимости от значений массы частицы Хиггса (ось абцисс) согласно полному набору экспериментальных данных, полученных ещё до 1999 г., то есть до начала работы большого адронного коллайдера. Лента фитирования Стандартной модели элементарных частиц ещё в 1998 г. ограничила область возможных значений массы частицы Хиггса: 114,5 ГэВ < М < 134 ГэВ (серая лента вдоль сплошной линии).

Такое фитирование ещё в 1998 г. ограничило область возможных значений массы частицы Хиггса. Её экспериментальное значение 125,7 ГэВ было получено именно в этой области в 2013 г. Это значение допускает две возможности: масса частицы Хиггса задана константой Хиггсовского потенциала (происхождение которой неизвестно) или фундаментальным параметром вакуума, который следует из постулата существования вакуума, как квантового ансамбля Блохинцева-фон Неймана.

3. Стандартная модель электрослабого взаимодействия и ОТО в Начале Вселенной напоминают собой модель старинных маятниковых часов с поднятой гирей, где гравитационная энергия гири играет роль энергии вакуума Блохинцева-фон Неймана, а энергия колебаний маятника играет роль энергии частиц, число которых не сохраняется. Состояние покоя с нулевым числом частиц нестабильно. Квантовые ансамбли впервые дают количественное описание неизбежного вакуумного рождения частиц и реликтового излучения с температурой порядка 3 К, т. е. того самого явления, которое принято отождествлять с Большим взрывом [16, 17, 18].

На рис. 3 показаны результаты вычисления числа частиц Хиггса (ось ординат) в зависимости от времени и их импульса [16, 17, 18]. В первые мгновения возникло 10⁸⁷ частиц Хиггса и электрослабых бозонов. Их продуктами распада являются реликтовое излучение и материя, из которой мы все состоим.

Здесь можно добавить, что квантовые ансамбли Блохинцева-фон Неймана для электромагнитного поля предсказывают экспериментально измеряемый эффект Казимира, описанный впервые в 1951 г.

Анализ истории развития физики в контексте тех проблем, которые Д. И. Блохинцев оставил нам в своих статьях, привёл нас к выводу о том, что ожидаемое всеми решение проблемы количественного описания рождения Вселенной состоит, скорее, не в новых идеях типа инфляции[13], а в применении к описанию последних наблюдательных данных в космологии концепций и теорий, изложенных ещё в старых работах основателей релятивистской квантовой физики, задолго до появления инфляционной модели, которая используется сейчас для классификации наблюдательных данных ценой ведения новых понятий.