V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

На дворе XXI век, век цифровых технологий, глобальной экономики, век ускорения технического прогресса. И сейчас все сильнее и сильнее стирается грань между научной и экономической сферами. Каждое государство само решает, какую долю бюджета вложить в разработку новых технологий, а какую в реализацию уже созданного потенциала. Мерой эффективности науки, все чаще становится экономическая прибыль. И в связи с этим, все чаще возникают разговоры о малой эффективности фундаментальной науки, о необходимости перераспределения ресурсов, между фундаментальной и техническими науками, в пользу технической науки.

В качестве аргументов, в подобных дискуссиях, выстапают утверждения о том, что фундаментальная наука подвержена системным кризисам, что она сама по себе является ресурсоемкой (в том числе и в отношении денежных сресдтв), что ее продуктом являются абстрактные идеи, далекие от сферы производства и практического применения.

При этом немногие, из высказывающих подобные идеи, в полной мере осознают истинную связь между фундаментальной и технической науками. Не многие видят, что все достижения современного технического знания, основываются на базе, которая была заложена фундаментальной наукой.

Для того, чтобы увидеть это, давайте мысленно отправимся в самое начало XX-го века, и попробуем проследить путь развития одной из самых величайших фундаментальных теорий настоящего времени – М-теории.

Появлению на свет М-теории предшествовал долгий путь эволюции научной мысли, путь поиска решения междисциплинарных противоречий, путь многих побед и поражений научной мысли. Исторически, этот путь начался с противоречия двух базовых физических теорий, господствовавших в то время. Это был конфликт теории относительности [7] (общая и специальная) и квантовой механики [8].

Каждая из этих теория использовалась для описания мира в разных масштабах. Постулаты квантовой механики описывали поведения частиц и тел на микро-уровне. Уравнения квантовой механики подтверждались экспериментально. В качестве объектов исследования в подобных экспериментах выступали элементарные частицы.

В тоже время теория относительности с успехом применялась для описания поведения объектов макромира (планеты, звезды и т.д.). Наблюдения так же показывали правильность выводов теории относительности. Ключевой особенностью объектов, исследуемых теорией относительности, являлась их очень большая масса.

Одной из отправных точек создания новой теории, послужили попытки описания поведения черных дыр. Черные дыры, по представлениям ученых являлись одновременно очень малыми объектами (которые должны описываться квантовой механикой) и очень тяжелыми объектами (описываются теорией относительности). Попытки, описать их поведение с использованием только одной, из двух конкурирующих теорий, приводили к абсурдным результатам. Этот послужил свидетельством неполноты существующих научных учений. В этот момент и зародилась идея создания универсальной теории, способной описать все существующие виды взаимодействий, в рамках минимального набора терминов, непротиворечивым способом. Первые попытки не принесли результатов.

Существенный прогресс, в данном направлении, был достигнут только в 70-80х годах XX века. Именно тогда, ученые обнаружили тот факт, что бета-функция Эйлера идеально описывает свойство частиц, участвующих в сильно-ядерном взаимодействии (одно из четырех базовых взаимодействий во Вселенной). Следует учитывать тот факт, что изначально данная функция применялась для описания движения натянутой струны. Именно это факт, послужил началом новой эпохи фундаментальной физики. Ученые предположили, что элементарные частицы состоят из мельчайших энергетических струн. И что поведение частицы, обусловлено степенью возбуждения этих мельчайших объектов. Фактически, частица представляется не просто трехмерным объектом, а трехмерной реализацией, некоторого многомерного объекта.

Данный подход позволил объединить все четыре базовых взаимодействия (сильно-ядерное, слабо-ядерное, гравитационное и электромагнитное) к одному – колебанию одномерной струны. Это послужило толчком для дальнейшего развития теории струн.

Дальнейшие исследования выявили ряд математических несовместимостей в этой теории (математические аномалии). И ученые сконцентрировали свои усилия на разрешение данных аномалий. Одним из самых явных примеров аномалии, можно считать то, что теория струн, предсказывала наличие частиц, способных двигаться со скоростью, большей скорости света (тахионы). Также была выявлена проблема распада пространства-времени, которое было закономерно для первых струнных теорий.

Существенного успеха в вопросе разрешения аномалий удалось достичь в 1971 году. В этом году была создана обновленная версия струнной теории – Теория Супер струн [3]. Теория Супер струн включала в себя описание не только бозонов (как было в ранних версиях струнных теорий), но и фермионом. Кроме того, новая теория устанавливала однозначную связь между бозонами и фермионами. Данная связь получила название «принцип суперсимметрии».

Принцип cуперсимметрии [4] породил еще большее количество различных трактовок оригинальной теории. Каждая трактовка использовала различное количество дополнительных измерений пространства. Дополнительные измерения были необходимы для обоснования математической непротиворечивости теорий. Но они требовали также физического обоснования. Вписать дополнительные измерения в существующие модели пространства (трехмерное пространство и четырехмерное пространство-время) было непросто. На тот момент, все ученые сошлись во мнение, что все дополнительные измерения должны быть свернуты в объекты микроскопического масштаба. Это допущение позволяло исключить математические и физические противоречия. Спорным оставалось только количество этих измерений.

Существенного успеха в вопросе ограничения количества дополнительных измерений удалось достигнуть Эдварду Виттену и Джозефу Полчински. В середине 1990-х они разработали единую 11-мерную М-теорию. Все существующие на тот момент струнные теории сводились к предельным случаям новой М-теории.

Центральным объектом в М-теории являлась – Брана. Брана – это элементарный, энергетический, многомерный объект. В различных вариациях пространства, брана могла принимать различные реализации. Например, в одномерном пространству брана представляла собой точку, в двухмерном – струну, а в трехмерном – мембрану. Наша вселенная в этой интерпретации представляла собой часть многомерного пространства, ограниченного трехмерной браной (мембраной).

М-теория позволила объяснить как явления макро, так и микромира. Как и все струнные теории, М-теория успешно объединяет четыре базовых взаимодействия в одно. С математической точки зрения, она не противоречива. Фактически, М-теория, является результатом многолетней эволюции теории струн. Одним из ключевых успехов новой теории можно считать математическое обоснование существующих физических констант (скорость света, постоянная Планка и др.). Если раньше ученые могли сказать, что та или иная величина имеет определенное значение, то теперь ученые могут объяснить, почему значение именно такое, а никакое другое.

Есть у новой теории, и ряд проблем. Основной из них является отсутствие экспериментальной базы. В своих выводах ученые использовали уже известные знания о физике процессов, математические методы, философские рассуждения. Фактически, сейчас мы не можем ни подтвердить, ни опровергнуть данную теорию. Существующие приборы не способны регистрировать объекты столь малых масштабов. Сейчас ученые могут изучать лишь явления, косвенно подтверждающие принципы М-теории.

Рассматривая путь развития научной мысли от конфилкта ОТО и квантовой механики, до создания М-теории, можно заметить ряд интересных особенностей. Первой особенностью является то, что М-теорию нельзя назвать чисто физической теорией. Эта теория была создана на базе трех наук: философии, матемитики и физики, и она вобрала лучшие черты каждой из них. Конечно, физика, в данном случае, выступила в роли основополагающей науки для создания М-теории. Это неудивительно, так как объектом изучения являлся существущий мир.

Роль математики, в этом процессе, была тоже велика. Она выступала в качестве объективного критика, и благодаря ей, ученым удавалось своевременно обрывать противоречивые ветви развития теории. Эта роль становится особенно важной, в контексте отсуствия эксперементальной базы, для проверки получаемых суждений.

Философии в этом списке досталась действительно уникальная роль. Философия пришла на помощь в момент, когда выводы ученых стали конфликтовать с принятой трехмерной моделью мира. Именно благодаря философии стало возможным создать новую революционную модель многомерного мира, и успешно развивать ее впоследствии. Без наличия философской составляющей, новая теория была бы обречена на исчезновение. Рано или поздно, ученые оставили бы попытки избавиться от математических противоречий, что затормозило бы развитие вплоть до ее возможного забвения. Так развитию теории пришел бы конец. Но этого не произошло. Вместо этого, была получена новая концептуальная модель, выходящая за рамки видимых границ мира, модель непротиворечивая с точки зрения математики, модель, в которую с успехом вписываются все существующие физические взаимодействия.

Таким образом, мы получили действительно уникальную картину объединения трех научных направлений, знания технического и гуманитарного.

Но на этом интересные особенности не заканчиваются.

Еще одной такой особенностью является то, что в процессе становления М-теории был получен новый тип знаний, знаний второго поколения.

Для того, что бы лучше разобраться с этим понятием, нужно посмотреть на другие теории. Классический путь становления новой теории выглядит следующим образом:

1. Первоначальное формирование теории

2. Экспериментальная проверка теории

3. Корректировка постулатов

4. Публикация теории.

Количество экспериментальных проверок и последующих корректировок, не ограничено. Таким образом, ученые всегда проверяют теорию на соответвие объективным законам мира. Образно этот процесс можно представить как взаимодействие трех сторон: разума исследователя (включает теоретические знания), объекта изучения и объективной реальности (данные эксперементов). Этот пример является, классическим примером интеллектуального продукта первого поколения.

В случае же развития М-теории, складывалась совершенно другая картина. Второй этап был полностью исключен, вместо него использовалась проверка на соотвествие математическому аппарату. Образно мы можем представить процесс развития М-теории, как взаимодействие только двух элементов: разума исследователя (теоретические знания и математический аппарат) и объекта изучения. Тем самым, новые знания, строятся только на базе старых знаний, без экспериментальных данных. Так мы получаем интеллектуальный продукт второго поколения, продукт, целиком основанный на интеллектуальных продуктах первого поколения.

Показательным является так же процесс преодоления системных кризисов в процессе созадния М-теории. В процессе развития этого направления можно выделить два крупных кризиса. Первый, это введение понятия «Струна», и уход от точечных моделей элементарных частиц. Второй, это открытие принципа суперсимметрии. На этих двух примерах можно отлично наблюдать весь потенциал фундаментальной науки в области борьбы с системными кризисами.

И это далеко не все особенности, которые можно найти, изучая развитие научной мысли: от ОТО до М-теории. Изучая этот путь развития, мы рассмотрели лишь одну из ветвей развития фундаментальной науки в XX веке. Но вернемся в наш XXI век. За это время фундаментальная наука шагнула далеко вперед и это касается не только М-теории. Были открыты новые уровни строения вещества, изучены межмолекулярные и межатомные взаимодействия, были найдены ответы на многие вопросы.

И это послужило базой для развития технической науки. Ведь многие отрасли, например, такие как ядерная энергетика, нанотехнологии, микроэлектроника, берут свое начало именно в фундаментальной науке. И после этого обвинения в неэффективности фундаментальной науки выглядят крайне не убедительно.

В заключении хотелось бы представить те горизонты, которые могут открыться перед технической наукой, если М-теория окажется верной. Так как М-теория объединяет все четыре базовых взаимодействия (в том числе гравитационное и электромагнитное), то вероятнее всего, будут созданы приборы, способные к излучению гравитационного поля. Это привет к созданию двигателей нового поколения, откроет для человека новые глубины космоса. Управление гравитацией, возможно, позволит создать устройства для телепортации, работающие по принципу искривления дополнительных измерений. Так же вероятно открытие новых источников энергии, в разы превосходящих по мощности современные атомные станции. Еще человечество может рассчитывать на нахождение параллельных вселенных, описанных во многих фантастических произведениях.

Конечно, сейчас все эти рассуждения звучат, возможно, слишком фантастически. Но разве познание мира во всех его проявлениях не является одной из главных целей науки.

1. Список использованной литературы:

1. Грин, Б Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер с англ. /Брайан Грин. – М.: Едиториал УРСС, 2004. – 288 с.

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/М-теория

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Теория_суперструн

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Суперсимметрия

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Нерешенные_проблемы_современной_физики

6. http://stringworld.ru/

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Общая_теория_относительности

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Квантовая_механика

Код для цитирования: Скопировать