Текст книги "Занимательно о космологии"

Автор книги: Анатолий Томилин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 20 страниц)

Альвен и Клейн начинают рассматривать вселенную с момента, когда огромное сферическое пространство, заполненное сильно разреженной первоначальной плазмой с одинаковым содержанием протонов и антипротонов, подчиняясь законам тяготения, медленно сжимается. На какой-то стадии сжатия плотность плазмы достигает такой величины, что становятся заметными процессы аннигиляции, порождающие излучение. Излучение (главным образом, в виде гамма-лучей и радиоволн) накапливается, повышается его давление, которое останавливает сжатие. А потом наступает радиационный взрыв. Сжавшаяся плазма переходит в состояние расширения, которое продолжается и по сей день, о чем достаточно красноречиво свидетельствует галактическое красное смещение.

Но где же здесь галактики, звезды, планеты наконец? Неужели всюду плазма, да еще состоящая поровну из частиц и античастиц?.. Авторы гипотезы считают, что галактики должны образовываться одновременно с разлетанием, то есть с момента взрыва все идет так, что мало чем отличается от модели Гамова. Вот только антивещество… Сколько звездолетов стартовало со страниц фантастических романов в другие звездные системы, имея на борту «полные баки вещества» и не менее полные баки антивещества. «Встречаясь в фокусе гигантского зеркала, вещество и антивещество аннигилировали, разгоняя звездный корабль до скоростей, близких к световым».

А теперь антифантастика.

Случалось ли вам брызнуть на раскаленную плиту? Наверняка случалось. И что? Ничего? В следующий раз будьте во время эксперимента внимательнее.

«Если уронить каплю воды на плиту, нагретую немного больше 100 °C, капля почти мгновенно с шипением испарится, – пишет Г. Альвен в своей книжке „Миры и антимиры“. – Если температуру увеличить еще немного, капля как бы взрывается и исчезает за доли секунды. Но если нагреть плитку до нескольких сот градусов, докрасна, то происходит другое явление. Капля не испаряется мгновенно, она может оставаться на нагретой пластинке более 5 минут. Она начинает дрожать и метаться из стороны в сторону, постепенно уменьшаясь в размерах, прежде чем совсем исчезнуть».

Объяснение простое – между раскаленной плитой и каплей возникает слой пара, который служит изоляцией при передаче тепла. Чем выше температура плиты, тем толще слой пара – лучше изоляция, дольше держится капля. Просто, а выглядит парадоксом.

Это явление было исследовано и описано еще в XIX столетии, получив название эффект Лейденфроста, по имени первооткрывателя. А теперь вернемся на борт звездолета, движущегося с помощью аннигиляции. Выброшенные магнитными пушками, встречаются в фокусе отражателя куски вещества с антивеществом. Взрыв? Ослепительная вспышка ярче солнечного протуберанца?..

Ничуть не бывало. Не зажмуривайте глаза, не накрывайтесь белой простыней. Вспышка? Вроде есть, только маленькая, типа трамвайной искры. А дальше? Дальше неслышно (явление происходит в неслышном глубоком вакууме) оба куска разлетаются в разные стороны. Эффект, аналогичный явлению Лейденфроста. При первом соприкосновении вещества и антивещества произошла аннигиляция, и силы начавшегося взрыва разметали куски в разные стороны. Конечно, может быть, сравнивать начало аннигиляции с искрой на трамвайной дуге и не очень прилично, а главное, обидно для фантастов, но существует предположение, что реакция аннигиляции должна происходить довольно медленно, «сечение взаимодействия», как говорят специалисты, недостаточно для того, чтобы реакция аннигиляции протекала интенсивно.

А теперь вернемся ко вселенной. В начальный момент расширения, после радиационного взрыва, плазма горяча. Горячая плазма обладает прекрасной электропроводностью. В разлетающейся вселенной генерируются и бушуют магнитные поля. Они-то и играют роль сепаратора, отделяя положительно заряженные протоны от отрицательно заряженных антипротонов; не дают им сгореть, «проаннигилировать» всему веществу. В дальнейшем плазма из частиц создаст вещество, из него сконденсируются галактики, звезды, планеты, появится человек. Из античастиц произойдет все так же, только с соответствующей приставкой «анти».

Альвен и Клейн считают, что даже в пределах нашей Галактики могут существовать звезды из вещества и антивещества. Вы скажете: «А ну, как сблизятся?» Что ж? Еще на дальних подступах реакция аннигиляции настолько поднимет давление излучения в пограничном слое («слое Лейденфроста»), что тела из вещества и антивещества тут же начнут разбегаться в разные стороны. Альвен пишет, что «слой Лейденфроста» может быть очень тонким по космическим масштабам. При определенных условиях его толщина остается в пределах 0,001 светового года и даже меньше. Такой толщины, по-видимому, достаточно для эффективного разделения койновещества и антивещества. (Койновеществом шведский физик называет обычное вещество нашего мира.)

Интересно отметить, что отличить звезду от антизвезды чрезвычайно трудно. Электромагнитное излучение обеих в принципе одинаково. Другое дело, если бы научиться регистрировать нейтрино и антинейтрино от далеких светил. Но судьба «нейтринной астрономии» пока что весьма неопределенная.

Академик Б. П. Константинов говорит, что взгляды Альвена и Клейна о равноправии вещества и антивещества во вселенной не разделяются большинством физиков и астрономов. «Я бы даже сказал, что эта гипотеза вызывает у физиков в какой-то степени отвращение». Причина – отсутствие доказательств существования антивещества во вселенной, а также нарушения симметрии при взаимодействии элементарных частиц и при бэта-распаде.

«По имеющимся сейчас данным, вполне возможно, что вселенная состоит только из протонов и электронов наряду с четырьмя видами нейтрино, а также квантов электромагнитного излучения. Но и это положение так же, как и гипотезу Альвена и Клейна, нельзя считать доказанным. Именно поэтому книга Альвена представляет большой интерес» – так заканчивается послесловие к книге «Миры и Антимиры», содержащей еще одну любопытную гипотезу развития вселенной.

Можно описать много любопытных гипотез. Рассказать об идее профессора К. П. Станюковича, согласно которой мир возник в результате столкновения двух элементарных частиц… Или описать гипотезу Дж. Уиллера и Мизнера, согласно которой электрические заряды есть проявление особых свойств самого пространства; гипотезу Р. Фейнмана о так называемой «нейтринной вселенной».

Много, очень много интересных, в высшей степени остроумных идей высказано по поводу образования и развития вселенной. И в каждой, безусловно, заложено какое-то рациональное зерно. Ведь идеи высказывают люди, обладающие большими знаниями. Они сами прежде всего стремятся к тому, чтобы ничто в их предположениях не противоречило существующим законам. Новая теория, какой бы она ни была «сумасшедшей», не имеет права отрицать проверенные опытом старые законы. Она может их лишь обобщать, может подниматься над ними. Без соблюдения этого условия никто просто не станет рассматривать «новые» идеи.

Времена греков в длинных хитонах ушли безвозвратно. Это они, мудрецы и философы, создавали свои гипотетические построения, шагая по дорожкам и рассуждая. Только рассуждая… Сегодня этого мало. «Тем, кто не знает математики, трудно постичь подлинную, глубокую красоту природы… – говорит Р. Фейнман в лекциях о связи математики с физикой. – Она (природа) дает информацию лишь в одной форме, и мы не вправе требовать от нее, чтобы она изменила свой язык, стараясь привлечь наше внимание…»

Сложные и тонкие математические построения, развивающаяся теория тяготения, теория элементарных частиц, квантовая теория – вот далеко не полный научный арсенал современной космологии. Человечество накопило уже большой запас знаний, и не исключено, что еще нынешнее поколение явится свидетелем мощного качественного скачка, аналогичного перевороту, совершенному Эйнштейном, но уже на другом и, надо думать, более высоком теоретическом уровне.

Битва идей продолжается

«Если отказаться от принципа противоречия, то все суждения окажутся на одном уровне достоверности, и будет невозможно отличить среди них суждения истинные от суждений ложных», – пишет философ Берроуз Данэм в книге «Человек против мифов». Чего-чего, а противоречий в космологии хватает. Пожалуй, ни в одной другой науке не найти столько конкурирующих гипотез и столько недоразумений. Одно время среди части ученых даже дискутировался вопрос: можно ли считать космологию вообще наукой?

Сомнения усугублялись тем, что наблюдения внегалактической астрономии, поставляющие основной эмпирический материал космологии, в лучшем случае лежат на грани, на пределе возможностей астрономической техники. Чаще же они уходят за эти пределы. И тогда результаты эксперимента приобретают функциональную зависимость от фантазии экспериментатора, допуская самое широкое толкование этих результатов.

Практически в первой половине текущего столетия любую космологическую схему можно было согласовать с данными наблюдений, лишь слегка «подогнав» результаты. Если же те или иные данные противоречили выбранной модели, их можно было безнаказанно объявить неточными или даже просто неправильными. При таком положении дела в ряды космологов прибыло немало теоретиков, каждый из которых холил и лелеял свою собственную гипотезу, собственную модель.

Классическая физика вплоть до начала XX столетия придерживалась с «легкой руки» Бэкона и Ньютона в основном «наивнореалистической концепции» о природе научных понятий. (Так называют эту точку зрения видные советские философы: член-корреспондент АН СССР П. В. Копнин и профессор П. С. Дышлевый.) Заключалась она в том, что любое понятие считалось «прямым непосредственным отражением какого-то элемента объективной реальности». Однако, по мере накопления новых фактов, по мере возникновения необходимости в понятиях, не имеющих наглядности, физики были вынуждены все больше отходить от этой концепции.

В такое «неустойчивое» время появилась общая теория относительности. Несмотря на то что суть ее уходила корнями в огромные пласты опытных результатов и прошлых теорий, внешне она имела вид более априорный, чем, например, даже такая вершина абстрактного мышления античности, как эвклидова геометрия. Эта кажущаяся априорность послужила причиной возникновения двух непримиримых лагерей в науке. Среди одной части физиков-теоретиков возникла идея вообще «полной реконструкции физики на аксиоматической базе». Это означало отказ от опыта и вывод всех физических законов из немногих аксиом. Особенно ратовали за такую постановку вопроса англичане А. Эддингтон и Э. Милн. Исходя из идеи Канта о том, что истинная наука начинается тогда, когда разум диктует природе законы, а не заимствует их у нее, Эддингтон писал: «Во всей системе законов физики нет ничего, что не могло бы быть недвусмысленно выведено логически из соображений теории познания».

Английский астрофизик Э. Милн не ограничился, подобно А. Эддингтону, провозглашением доктрины априорности знания. Он самым серьезным образом попытался построить стройную систему теоретических знаний, положив в ее основу один лишь космологический принцип. Из этой системы, по его мнению, можно было вывести логическим путем, не обращаясь к эксперименту, все основания геометрии и физики. Эта позиция встретила резкую критику со стороны многих видных деятелей науки, «…я считаю, что эти идеи представляют собой значительную опасность для здорового развития науки», – писал Макс Борн, посвятив философии Эддингтона и Милна свой доклад, прочитанный на собрании Деремского философского общества и Общества чистой науки Королевского колледжа в Ньюкасл-апон-Тайне 21 мая 1943 года. Оба не нашли новых плодотворных идей для своей системы взглядов и остались в плену древней концепции об априорности знаний.

Впрочем, нашлись и другие представители науки, которые, обвинив первых в неоаристотелианстве, ударились в другую крайность. Они требовали, чтобы все без исключения научные принципы выводились только из опыта; от частного результата опыта к обобщению. Любой результат теории – частный или общий – должен был, по мнению «ложных галилеанцев» (именно так окрестили представителей этого направления философы), вытекать непосредственно из эксперимента.

Подобные метания из стороны в сторону, возникновение множества противоречивых теорий, гипотез и моделей, отсутствие надежных опытных данных привели к «величайшему смятению и путанице в умах астрономов». Многие понятия нуждались в уточнениях, и прежде всего следовало разделить сферы влияния естествознания и философии, научиться делать философские обобщения на базе экспериментальных и теоретических данных, а не пытаться втиснуть результаты опыта в готовую философскую схему. Естествознание не может существовать без философии, которая обобщает выводы, подготавливая платформу для следующего прорыва в неизвестность. Но философия слишком могучее оружие, чтобы им пользоваться неосмотрительно и легкомысленно.

Не нужно забывать мысль, высказанную Владимиром Ильичем Лениным об истинно философской постановке проблемы: «Вопрос не о том, есть ли движение, а о том, как его выразить в логике понятий».

Примером правильного и мудрого подхода к философскому обобщению достижений естественных наук может служить путь, показанный Владимиром Ильичем. Часто возникает вопрос: как мог В. И. Ленин, не считавший себя специалистом в области естественных наук, прийти не только к таким плодотворным предвидениям, как, например, о неисчерпаемости электрона, но и к выводам, которые имели важное принципиальное значение для развития всей науки в целом? Ответ на этот вопрос содержится в словах самого В. И. Ленина: «Само собой разумеется, что, разбирая вопрос о связи одной школы новейших физиков с возрождением философского идеализма, мы далеки от мысли касаться специальных учений физики. Нас интересуют исключительно гносеологические выводы из некоторых определенных положений и общеизвестных открытий. Эти гносеологические выводы до такой степени напрашиваются сами собой, что их затрагивают уже многие физики. Мало того, среди физиков имеются уже различные направления, складываются определенные школы на этой почве. Наша задача поэтому ограничиться тем, чтобы отчетливо представить, в чем суть расхождения этих направлений и в каком отношении стоят они к основным линиям философии».

Несомненно, правильно мнение, что естественные науки не могут развиваться в отрыве от философии, которая обобщает их выводы и помогает строить догадки. Но не менее правильно и то, что сама философия без животворного влияния естественных наук становится мертвой схемой.

Что же это такое – вселенная?

Среди философов существуют различные взгляды на то, что понимать под вселенной. Одна часть считает, что физические законы, открытые для окружающего нас мира, могут быть распространены на «всю материю вообще». Так, например, саратовский профессор Я. Ф. Аскин считает, что, пока нет доказательств того, что тот или иной физический закон ограничен определенными рамками, его можно (и нужно) распространять на весь материальный мир. По аналогии с юриспруденцией Я. Ф. Аскин формулирует даже некий принцип «презумпции экстраполируемости».

Не пугайтесь сложности терминологии. Юридически «презумпция» соответствует признанию факта достоверным, пока не будет доказано обратное. Термин же «экстраполяция» может быть спокойно заменен словом «распространение», так как обозначает он распространение понятий и законов, относящихся к одной определенной области, на другую область. Принцип распространения законов, выведенных для ограниченной области вселенной, на весь мир вообще вводится по аналогии с юридическим принципом «презумпции невиновности». «Презумпция невиновности, – пишет Я. Ф. Аскин, – заключается, как известно, в том, что человек не должен доказывать свою невиновность; доказать, что он виновен, должны те, кто его обвиняет, и, пока это не доказано, он не считается виновным. Точно так же и в науке: до тех пор, пока не доказано конкретно, что данная закономерность ограничена в таких-то рамках в силу таких-то обстоятельств, не существует запрета на право ее экстраполирования». Интересная точка зрения, правда?

С другой стороны, профессор Ленинградского университета В. И. Свидерский возражает против такого неограниченного (глобального) распространения физических законов на «весь материальный мир вообще». По мнению ленинградского философа, космология не может претендовать на роль науки о мире в целом – такой наукой является философия, и лишь философия должна решать вопросы о конечности и бесконечности мира. Космологии при такой постановке вопроса остается лишь роль некой частной теоретической дисциплины.

Перед нами две крайние точки зрения. Однако существуют и другие.

Академик Г. И. Наан в большой и чрезвычайно интересной статье «Понятие бесконечности в математике и космологии» пишет: «Понятие бесконечности не может быть выведено непосредственно из физических явлений. Но тем интереснее сравнить выводы математики, которая больше всего связана с понятием бесконечности, с теми физическими явлениями, описанием которых они могли бы быть. Наибольшие возможности для этого дают явления космологического масштаба».

В нашей книжке мы с самого начала усадили философию и точные науки за круглый стол, тем самым старательно подчеркивая равноправие собеседников. Однако равноправие отнюдь не снимает остроты и серьезности проблемы: кому и чем заниматься? Что является прерогативой философии, а что – естествознания? Академик В. Л. Гинзбург пишет о «размежевании» сфер исследования: «Когда философ задумывается над какой-нибудь проблемой, имеющей отношение к естествознанию, то, как мне представляется, он раньше всего должен спросить себя: является ли данная проблема философской или естественнонаучной?..

…Материалистическая позиция в космологии состоит в признании существования вселенной совершенно независимо от человеческого познания и фактически до его появления. Кроме того, имея в виду не только субъективный идеализм, но также объективный идеализм и религию, подчеркнем, что материалист отрицает существование бога и вообще „чего-то“, стоящего за природой, „порождающего“ вселенную и т. п. К области философии относятся, кроме того, вопросы методологии и теории познания…

…Вопросы же о том, является ли пространство эвклидовым или неэвклидовым, конечен ли его объем или бесконечен, стационарна ли вселенная или нестационарна, какими законами управляется движение галактик – все это относится к области физики и астрономии, базируется на наблюдениях и экспериментах и контролируется ими».

При решении вопроса о бесконечности мира в пространстве и во времени большое эвристическое значение имеет ленинский принцип неисчерпаемости материи. Как считает советский философ А. М. Мостепаненко, из принципа качественной и количественной неисчерпаемости материи вытекает положение о многообразии в мире пространственно-временных форм и отношений с различными метрическими и топологическими свойствами. Следовательно, бесконечность мира не сводится к метрической (чисто количественной) бесконечности. Внегалактическая астрономия последних лет преподнесла космологам такие сюрпризы, что это потребовало усиления интереса ученых к топологической (качественной) структуре пространства-времени.

Автор берет на себя смелость напомнить, что топология – наука, изучающая свойства фигур, не меняющихся при любых возможных деформациях, за исключением разрывов и склеивания. Наиболее простым примером топологических свойств геометрической фигуры является ее размерность (число измерений). Так, линия одномерна, а поверхность имеет два измерения, тело – три… Или такое топологическое свойство, как «порядок связности», который зависит от количества «дырок» в геометрическом объекте. Так тор (бублик) имеет больший порядок связности, чем, скажем, сфера или плоскость, которые лишены отверстий. Еще, конечно, сложнее (и соответственно менее наглядно) обстоят дела с топологическими свойствами пространства-времени.

Именно за последнее время среди специалистов возникли серьезные и «обоснованные опасения», что топологическая структура пространства-времени намного сложнее, чем мы предполагали до сего дня. Например, «пространство может быть многосвязным, – пишет Г. И. Наан. – Могут существовать и иные „патологии“. В этом случае привычная постановка проблемы бесконечности в релятивистской космологии оказывается явно недостаточной».

Не исключено, что в мире существует множество различных пространственно-временных форм, которые могут быть как конечны, так и бесконечны, а к некоторым из них понятие метрической конечности и бесконечности может быть вообще неприменимым. Возможно, что имеет право на существование и гипотеза о неединственности нашей метагалактики. Но при этом в любом случае вопрос о метрической конечности или бесконечности нашей метагалактики должен решаться не философией, а опытным естествознанием.

А как обстоит дело с «началом», с самым что ни на есть первым моментом существования нашей вселенной? Как с позиции материализма примириться с «возникновением расширяющейся вселенной из нулевого объема»?

Если бы наше понятие вселенной действительно относилось к миру в целом, ко всему существующему, тогда решить вопрос о ее происхождении с позиций материализма было бы трудно. Потому что если материя была «сотворена», а, кроме материи в разных формах ее проявления, ничего больше материального не существует, то исходным мог быть только «дух»… Но поскольку оснований считать нашу метагалактику миром в целом нет, то и идеалистическая концепция неправомерна.

Мы убеждены, что мир не возникает из ничего! «Сотворение» можно рассматривать как качественный скачок – переход материи из одного состояния в другое. И то, что теория пока бессильна однозначно ответить на поставленный вопрос, означает лишь то, что пока, видимо, этот процесс – вне области применимости современной науки. Открывая новые законы, естествоиспытатель может и должен стараться расширить область их применения, экстраполировать свои выводы как можно дальше. Однако философы должны его постоянно предупреждать о том, что все эти законы и экстраполяции не безграничны.

«Вселенная, как объект космологии, – пишет советский философ В. В. Казютинский, – фактически охватывает целостный аспект „всего существующего“ не в абсолютном смысле, а применительно к определенному уровню развития человеческой практики. Тогда это понятие будет динамически развиваться вместе с наукой и любые „чудеса“ теории и наблюдений будут лишь обогащать наше знание.

То, что мы сегодня считаем несуществующим, завтра будет открыто, станет, таким образом, существующим с научной точки зрения и будет включено в наше понятие вселенной».

На этом автор и хотел бы закончить последнюю главу своей книжки, присоединившись к последним рассмотренным точкам зрения на перспективы развития космологии. Тем более что они, как кажется автору, исходят непосредственно из ленинского понимания предмета и методов научного познания.

«„Сущность“ вещей или „субстанция“ тожеотносительны, – писал Владимир Ильич, – они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня – дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вехпознания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»