Лекция 4. Панорама современного естествознания

1. Принципы симметрии и законы сохранения.

2. Структурные уровни живой природы – клетки, ткани, органы, организмы, популяции, биосфера.

3. Химические процессы, самоорганизация и эволюция химических систем.

1. Принципы симметрии и законы сохранения

Сложная структура пространства-времени нашей Вселенной на современном этапе развития физики раскрывает возможность сведения всех внутренних симметрий к геометрическим, пространственно-временным симметриям. Основанием для этого является тот факт, что все внутренние симметрии имеют одну природу. Однако современная теоретическая физика дает еще один чрезвычайно важный результат, свидетельствующий о том, что все многообразие физического мира проявлено вследствие нарушений определенных видов симметрии. Поэтому для более глубокого понимания происходящих в физической теории процессов следует более подробно рассмотреть функционирование понятий симметрии и асимметрии в системе культуры в целом.

Симметрии мы можем наблюдать повсюду: и в окружающем нас материальном мире и, например, в искусстве стихосложения. В средние века в Европе были трубадуры — поэты и музыканты, певцы, проводившие строго регламентированные состязания, складывающиеся в ритуал. В частности, трубадуры создали очень жесткую стихотворную форму — секстину. Особенность этой стихотворной формы состоит в том, что она включает шесть строф, каждая из которых в свою очередь содержит шесть строк; отсюда и ее название — секстина, причем из строфы в строфу без всякого изменения перекочевывают одни и те же рифмующиеся слова. Но расположение их меняется, и в законе этой перестановки заключается суть симметрии секстины.

Симметрия как философская категория означает процесс существования и становления тождественных моментов в определенных условиях и определенных отношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира. Изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях. То есть из всей совокупности преобразований выделяются такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам. Самым емким, удобным и простым языком для выражения симметрии оказался математический язык. Математическая теория, рассматривающая такие преобразования или совокупности преобразований, называется математиками теорией групп. Корни идеи теории групп восходят к работам великих математиков П. Руффини (1765-1822), Н. Абеля (1802-1829) и Эвариста Галуа (1811-1832). Норвежский математик М. Ли явился создателем математического аппарата теории групп и их инвариантов, ставшего важнейшим инструментом современной теоретической физики.

Условие выполнения инвариантности физических законов относительно локальных преобразований требует введения гравитационного поля, роль которого состоит в компенсации эффектов, связанных с этим изменением масштаба или, как говорят, вызванных калибровкой от точки к точке. Термин «калибровка» вошел в физику из жаргона железнодорожников, употребляемый в значении перехода с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, по аналогии с железнодорожной терминологией, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. В общей теории относительности инвариантность физических законов достигается только относительно локальных калибровочных преобразований. При этом в общей теории относительности обнаруживается совершенно новый подход к природе физических взаимодействий, что в существенной степени расширило смысл самого понятия «калибровочное преобразование», возведя его в принцип, который лежит в основе всего фундамента современной физики. В каждом случае теории, в которых работает этот принцип, называют калибровочными. Иными словами, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют взаимодействия?»

Калибровочный принцип оказался важным инструментом теоретической физики, на котором строится единая теория всех взаимодействий. Но представляется, что этот принцип выходит далеко за рамки собственно физики и может стать мощным методологическим регулятивом при решении ряда проблем социального и экономического характера. Очевидно, что такие принципы, как социальная справедливость, равенство, устойчивый уровень жизни населения и др. могут быть поставлены в соответствие с категорией симметрии. Например, формализм Лагранжа, использованный в экономике, мог бы стать мощнейшим фактором в регулировании денежной системы, в контроле за монопольными отраслями производства и др. Это указывает на мобильность и перспективность калибровочного подхода.

В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий — гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Оказывается, что все они имеют калибровочную природу и описывается калибровочными симметриями. Тот факт, что все известные физические взаимодействия имеют одну калибровочную природу, как бы сделаны «из одной болванки», вселяет надежду, что можно будет найти «единственный ключ ко всем известным замкам» и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не проявлены. История же самодвижения Вселенной отмечена датами спонтанного нарушения симметрии, моментами, когда проявляется различие между типами физических взаимодействий, когда микрообъекты приобретают массы, заряды и другие характеристики, что, в конечном счете, приводит ко всему последующему многообразию физического мира.

Для обсуждения этих проблем остановимся на существующей в современной физике классификации элементарных частиц. Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях — вещества и поля. Частицы вещества являются ферми-частицами (фермионами). Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Бозе- и ферми-частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу. В свою очередь, частицы вещества делятся на две группы — кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными». Кварки — это частицы, которые, кроме электрического заряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков цветного заряда обусловливает способность их к сильным взаимодействиям. Известно, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Кварки имеют различные цветовые заряды. Заряд сильного взаимодействия назвали «цветом» именно по аналогии с действительными цветами для того, чтобы подчеркнуть, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным (так же, как смешение красного, желтого и зеленого цветов даст белый цвет). Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий — красный, желтый и зеленый. Лептоны — бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях. Предполагается существование шести кварков и шести лептонов.

Все частицы участвуют в гравитационных и в слабых взаимодействиях. Так, например, действие слабых сил приводит к изменению природы частиц — например, электрона в нейтрино и т. д. В электромагнитных взаимодействиях участвуют только те частицы, которые имеют электрический заряд. Известно, что кварки имеют дробный электрический заряд. Значит, они также участвуют в электромагнитных взаимодействиях, как и электрон. Нейтрино в электромагнитных взаимодействиях не участвуют. И, наконец, только кварки, обладающие цветным зарядом, способны к сильным взаимодействиям. Частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Адроны делятся на два класса — барионы, в состав которых входят три кварка с различными цветами, и мезоны, состоящие из пары кварк — анти-кварк. Соответственно, антикварк имеет антицветовой заряд. В состав ядра атома входят частицы— протоны и нейтроны. Протон имеет положительный электрический заряд, нейтрон является электрически нейтральной частицей. Ядра и электроны образуют атомы, а атомы — молекулы.

Следует сказать, что физика кварков открывает новую, необычную страницу в истории физики. С одной стороны, ничего нетрадиционного в поисках наиэлементарнейшего уровня в иерархии элементарных частиц и в связи с этим с гипотезой кварков нет. Но, с другой стороны, само поведение кварков несколько необычно, ибо они никогда не встречаются в свободном состоянии, а находятся в постоянном плену, заключены внутри адронов. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. confinement — пленение) кварков внутри адронов, согласно которой невозможно вылетание свободного кварка из адрона. Несмотря на это необычайное обстоятельство, существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена теория квантовой гравитации.

Квантом электромагнитного поля является фотон. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия.

В ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот — за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками. Кроме этого внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными. Подобная инвариантность требует существования поля сильного взаимодействия для поддержания цветовой симметрии кварков. Сильные взаимодействия между кварками внутри протонов и нейтронов обеспечивают силы притяжения между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтронами внутри ядра (ядерные силы).

Качественно отличным от вышеназванных форм материи является физический вакуум. Именно физический вакуум является прародителем всех частиц вещества и квантов полей, резервуаром, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и функционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изменять свое состояние и привела к многообразию форм физического мира.

Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0. Здесь признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей, возникает представление о существовании вакуумных конденсатов — состояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости. Платой за устойчивое состояние системы является асимметричность вакуума.

Наиболее распространенной и наглядной иллюстрацией спонтанного нарушения симметрии является пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии. Пусть тело находится на вершине «мексиканского сомбреро» (или на донышке бутылки). Очевидно, что симметричному решению исходной вращательной симметрии соответствует тело, находящееся на верхушке сомбреро. Однако это положение является неустойчивым, и, в конце концов, тело скатится в одно из устойчивых состояний, соответствующих минимуму энергии. При этом наблюдаемое состояние уже не отражает исходной вращательной симметрии, которая, тем не менее, по-прежнему существует.

Эта идея присутствует и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии. Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии.

Следует подчеркнуть определяющую роль физического вакуума в современной физической теории. Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения и развития физического мира позволяет рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании и качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд, проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения симметрии. Любой физический объект со своими характеристиками рассматривается в современной теории как момент, элемент космологической эволюции Вселенной.

В 1967 году С. Вайнбергом и А. Саламом была применена идея спонтанного нарушения симметрии для построения единой теории электрослабых взаимодействий. Предполагается существование такого этапа в эволюции Вселенной, когда не существовало различий между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Однако последующее расширение Вселенной привело к нарушению симметрии, отвечающей электромагнитному взаимодействию, и симметрии, отвечающей слабому взаимодействию. Так что в настоящую эпоху симметрия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. 1979 год ознаменовался вручением Нобелевских премий А. Саламу. С. Вайнбергу и Дж. Глэшоу за создание единой теории электрослабых взаимодействий. А эксперименты 1983 года на ускорителе в ЦЕРНе по обнаружению бозонов, результаты которых оказались в полном соответствии с предсказаниями теории, дали подтверждение правильности стратегической линии использования идей калибровочной симметрии в единстве с представлением о спонтанно нарушенной симметрии вакуума. Успех этот стимулирует физиков в направлении поисков адекватной симметрии, объединяющей сильное и электрослабое взаимодействие (Великое объединение) и симметрии, объединяющей Великое объединение и гравитационное (Суперобъединение).

Сама жизнь является следствием определенным образом нарушенных симметрий. Однако возникает вопрос, как получилось такое согласованное нарушение симметрии, что в результате всех перипетий возник человек? А если бы в природе реализовалась другая последовательность чисел? Появился бы человек, и каким бы он был? Сама жизнь (как предмет биологии) в таком случае определяется в качестве формы существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

Макроскопичность означает, что любой живой организм, начиная с бактерии, должен содержать большое количество атомов. Если бы этого не было, упорядоченность, необходимая для жизни, разрушалась бы флуктуациями. Гетерогенность означает построение клетки и организма из множества различных веществ. Отдельно взятые молекулы не живут, жизнь возникает лишь в гетерогенной надмолекулярной системе. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом и энергией. Состояние и развитие такой системы поддерживаются оттоком энтропии в окружающую среду. Основы термодинамики живых систем были впервые сформулированы советским биологом Э.С. Бауэром, погибшим в годы массовых репрессий.

Синергетические подходы к биологическим процессам оказываются очень эффективными. Происхождение жизни и молекулярной асимметрии, добиологическая эволюция, периодические биологические процессы, морфогенез и возникновение иммунитета освещаются возникшей в физике теорией. Организм, вид, популяция, биосфера представляют собой диссипативные структуры — открытые системы, далекие от равновесия. Их анализ показывает, что при определенных значениях параметров системы в ней возникают неустойчивости и, следовательно, бифуркации, резко меняющие ее состояние.

Современная синтетическая теория эволюции (созданная в 30-е годы) явилась результатом объединения дарвинизма с популяционной генетикой. Сейчас стоят задачи дальнейшего объединения эволюционной теории с молекулярной биологией, синергетикой и теорией информации. При этом не ставится цель подменить биологию физикой — речь идет о раскрытии глубинных физических основ биологических явлений.