Составитель А.В.Лельевр
Эврика-86
В сборнике-ежегоднике "Эврика" рассказывается о важных научных идеях, поисках, решениях минувшего года в нашей стране и за рубежом.
ЭВОЛЮЦИОНИРУЮЩАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Физическая судьба расширяющейся Вселенной: новые грани старой загадки
Эволюция всей Вселенной как целого - одна из форм проявления "нетленной красы" природы, поэтически воспетой многими поколениями художников слова. Однако наука в отличие от поэзии не ограничивается констатацией увиденного или художественной гиперболизацией существующего, ей важно разобраться в самой природе и внутреннем механизме наблюдаемых явлений. Это в равной мере относится и к глобальным космическим процессам.
У идей иная судьба, чем у людей, их выдвинувших,- они, не в пример последним, никогда не умирают. Яркий пример тому - историческая судьба идеи "конца света"; несмотря на свою научную несостоятельность, она время от времени в том или ином обличье вновь и вновь всплывает на поверхность.
Идея "конца света" возникла в недрах мифологического сознания и в последующие эпохи вошла в мировоззренческую догматику всех мировых религий. По своему же логическому статусу она - неотъемлемая часть теологической доктрины творения, провозгласившей сотворенность всего и вся.
Внутренняя взаимосвязь представлений о "начале" (креационизм) и "конце" (финализм) очевидна. Так, еще Аристотель усмотрел логическое противоречие в утверждениях тех, кто в его время допускал, что Вселенная
никла, и одновременно считал, что она вечна. Справедливо квалифицируя такое утверждение как нечто невозможное, Аристотель добавлял: наблюдение показывает, что все, что возникает, равным образом уничтожается.
Подвергая диалектико-материалистической критике концепцию "тепловой смерти" Вселенной, на этот важный момент логической взаимосвязи понятий "начала" и "конца" мира особое внимание обратил Ф. Энгельс.
Поэтому неудивительно, что в современной космологической и философской литературе в прямой связи с проблемой сингулярного "начала" Вселенной вновь стали обсуждать вопрос о ее возможном "конце".
В начале XI века состоялась одна примечательная и в естественнонаучном и в философском отношениях дискуссия. Она разгорелась между двумя молодыми людьми, тогда еще малоизвестными, но ставшими впоследствии знаменитыми во всей ойкумене, как на Востоке, так и на Западе. Речь идет об Абу-Али Ибн Сине (Авиценне) и Абу Рейхане Бируни. В данном случае нас интересует лишь один из важных вопросов, ставших предметом их обсуждения. Бируни был задан следующий любопытный вопрос: "Почему Аристотель возводит сказания прошлых веков и предания древних о небесном своде и о его существовании в решительный довод, которым пользуется в двух местах своей книги для доказательства неподвижности и вечности небесной сферы?" Разъясняя далее свою научную позицию, Бируни в письме к Авиценне пишет: "Мы знаем о продолжительности (существования небесной сферы) еще значительно меньше того, что повествуют об этом народы, обладающие священным писанием, и того, что рассказывается со слов индийцев и подобных им народов". Не является ли неизменность неба кажущейся наподобие
неизменности гор? - размышляет Бируни и добавляет: "все горы изменились в древности, и свидетельства предшественников Аристотеля точно так же, как свидетельство его самого, не считаются с явными изменениями, которые в них произошли".
Авиценна как признанный глава восточноперипатетической школы философов решительно возражает идее изменчивости неба, ибо полагает, что она противоречит разделяемой им аристотелевской концепции вечности мира. "Дело с небом обстоит совершенно иначе, чем с горами",- категорически заявляет он.
Теоретический спор двух выдающихся умов эпохи восточного средневековья весьма показателен в культурноисторическом отношении: по затронутым в нем вопросам, а также по характеру самой дискуссии можно судить, так сказать, о степени извилистости дороги, пройденной человеческим разумом в ходе его восхождения на Олимп идеи эволюции.
Авиценна был крупным естествоиспытателем своего времени. Он первым открыл закон последовательности напластования горных пород (пятьсот лет спустя его заново открыл датский ученый Николаус Стено). Дальнейшее же обобщение накопленных к тому времени (начало XI столетия) геологических знаний привело его к мысли об эволюции земной коры. И если тем не менее Авиценна в споре с Бируни выглядит консерватором, то в этом меньше всего виноват он сам: идея эволюции небесных тел, тем более эволюции Вселенной в целом, глубоко чужда всему логическому строю средневековья - и восточного и западного; мировоззренческую основу этой эпохи составляла идея неизменности космоса как в целом, так и в частях. А на эт^й идейной почве вырастали общественно значимые философские, теологические, этические и эстетические учения средних веков. Следы влияния средневекового
ля мышления отчетливо видны и в высказываниях Бируни. Хотя он и допускал возможность изменчивости неба, ему была чужда идея направленного изменения вещей, изменения, сопровождающегося качественными переходами, превращениями одних форм в другие.
Впрочем, в данном случае Бируни отталкивается от древнеиндийских метафизических учений, которые он хорошо знал и всемерно пропагандировал в арабо-иранской культурной среде. Углубляя основополагающие космологические понятия философской системы Веданты, он заключил, что время течет большими циклами и что в каждом из них развитие идет лишь в направлении реализации изначально заложенных в нем возможностей.
Науке и философии предстояло еще пройти нелегкий путь проб и ошибок, прежде чем прийти к современной формулировке идеи развития.
Ведь даже в Европе XVIII столетия, как писал Ф. Энгельс, "естествознание, столь революционное вначале, вдруг очутилось перед насквозь консервативной природой, в которой все и теперь еще остается таким же, каким оно было изначально, и в которой все должно было оставаться до скончания мира или во веки веков таким, каким оно было с самого начала".
В этих условиях материалистическая философия должна была разорвать окутавшую природу густую сеть религиозных и объективно-идеалистических измышлений, в особенности разомкнуть пресловутый круг "первотолчок целесообразность" и тем высвободить материальный мир из-под постоянной опеки "внешних сил" и "конечных причин".
Это идейное единоборство в европейском культурном ареале продолжалось вплоть до второй половины XIX столетия, а в иных регионах затянулось до наших дней.
Как известно, вопрос о первотолчке впервые был устранен благодаря
ретическим усилиям Канта, автора знаменитой космогонической гипотезы о естественноисторическом возникновении Солнечной системы. Однако научное сообщество второй половины XVIII века еще не было готово к восприятию кантовских идей. Как заметил Ф. Энгельс, если бы подавляющее большинство естествоиспытателей не ощущало того отвращения к философскому мышлению, которое выразилось в известном предостережении: "физика, берегись метафизики!", то "они должны были бы уже из одного этого гениального открытия Канта извлечь такие выводы, которые избавили бы их от бесконечных блужданий по окольным путям и сберегли бы колоссальное количество потраченного в ложном направлении времени и труда".
Отмеченная Энгельсом философская незрелость естественнонаучной мысли особенно сказалась на характере научных дискуссий, разгоревшихся среди физиков и астрономов второй половины XIX века.
Речь шла о философском толковании вывода двух выдающихся физиков-теоретиков того времени Рудольфа Клаузиуса и Уильяма Томсона о возможной "тепловой смерти" астрономической Вселенной. Это научное заключение имело под собой твердую теоретическую базу - второй закон термодинамики, утверждающий постоянный рост энтропии (меры необратимого рассеяния энергии) материальных систем, изолированных от окружающей их физической среды. Однако, с другой стороны, концепция "тепловой смерти" принципиально противоречила классическим философским представлениям о бесконечности Вселенной во времени. Возникла следующая теоретическая дилемма: если 1) эти философские представления верны, то есть Вселенная вечна, а также 2) второй закон термодинамики является объективноистинным научным знанием и 3) его экстраполяция (перенос) в сферу космологического исследования - на
ленную в целом - обоснованна, то почему же до сих пор не наступила ее, Вселенной, "тепловая смерть"? Поскольку же конец физической Вселенной все-таки еще не наступил, постольку по крайней мере одна из этих теоретических посылок принципиально ложна, то есть либо: Вселенная еще молода (возникла сравнительно недавно); второй закон термодинамики вообще несостоятелен; он в принципе не применим ко Вселенной как целому, ибо:
а) является частным физическим законом, сфера действия которого ограничена пределами частной физической дисциплины (термодинамики);
б) Вселенная как целое в силу ряда ее уникальных физических особенностей (бесконечность, неизолированность и так далее) не подчиняется закону роста энтропии;
либо же все перечисленные теоретические допущения (1-3) остаются в силе, но во Вселенной действуют какие-то еще неизвестные науке физические механизмы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" (типа концентрации рассеянной лучистой энергии и ее последующего превращения в другие "работоспособные" формы энергии).
Мнения ученых сразу же резко разошлись.
Философы и физики, стоящие на материалистических позициях, решительно отвергли первый вариант решения возникшей проблемной ситуации - идею возникновения (проще говоря, сотворения) Вселенной в недавнем прошлом. Отсюда особое внимание, проявленное ими ко второму и третьему вариантам. Однако все попытки доказать физическую необоснованность второго закона термодинамики в конечном итоге не дали положительного результата. Несостоятельными оказались и попытки обоснования термодинамики без понятия энтропии или второго закона вообще, как и попытки обосновать неправомерность применения второго начала
намики в космологии, иными словами, при изучении Вселенной как физического целого.
После этих теоретических неудач в попытках спасти Вселенную от "тепловой смерти" оставалась последняя возможность - допустить, что во Вселенной действуют неизвестные физические факторы, которые и предотвращают ее постепенную термодинамическую гибель.
Когда У. Томсон и Р. Клаузиус предприняли грандиозную научную экстраполяцию - распространили на всю Вселенную второй закон термодинамики, многие теоретически важные аспекты этого закона еще не были известны и немало вопросов осталось вне горизонта размышлений основоположников классической термодинамики.
Правда, позднее эти вопросы все же всплыли на поверхность общетеоретических и философских дискуссий. Но это было уже в то время, когда ученые с ужасом обнаружили, что звездной Вселенной, воспетой поэтами всех поколений как идеал нетленной красоты, как образец неувядающего порядка и постоянства, грозит смертельная опасность и что этой вполне реальной теоретической возможности нет сколь-нибудь серьезной физической альтернативы.
Грандиозным и очень многообещающим вначале выглядело теоретическое усилие, предпринятое известным австрийским физиком Людвигом Больцманом. Он выдвинул гипотезу, согласно которой Вселенная далеко не исчерпывается наблюдаемым астрономическим миром; последний - лишь часть грандиозной, недоступной наблюдению механической системы, которая в целом находится в тепловом равновесии, то есть в состоянии "тепловой смерти". Но в ее бесконечных просторах можно найти небольшие (в масштабах космоса) пространственные области, где физические условия могут заметно отличаться от условий,
вующих во всей остальной Вселенной.
Л. Больцман был одним из выдающихся естествоиспытателей-материалистов прошлого столетия. Поэтому его космологическую гипотезу следует оценить не только исходя из логики развития научной мысли второй половины XIX века, но и учитывая общее состояние той формы философского материализма, приверженцем которой был великий австрийский физик.
"Тепловая смерть", угрожавшая материальной Вселенной со страниц научных статей Клаузиуса и Томсона, и безуспешность теоретических усилий коллег Больцмана, предпринявших неоднократные попытки спасти ее, глубоко задевали не только научную интуицию, но и философское убеждение ученогоматериалиста. И он решил попытаться согласовать на более высоком теоретическом уровне разделяемое им материалистическое учение о бесконечности Вселенной в пространстве и времени с эмпирически констатируемой и математически оформленной в термодинамике необратимостью явлений природы и тем самым физически отвести от Вселенной угрозу "тепловой смерти".
Однако механический материализм, на позиции которого стоял Л. Больцман, был такой системой философской мысли, которая принципиально чуждалась идеи развития. Отсюда неудивительно, что во "Вселенной Больцмана" господствует, как говорится, гробовая тишина: в целом она находится в состоянии покоя, то есть физически мертва. Поэтому с позиций материализма диалектического флуктуационная концепция Больцмана выглядит явно неудовлетворительной; она противоречит одному из важнейших основоположений диалектики - принципу развития.
Материалистическая диалектика похожа на скрипку Страдивариуса (воспользуемся этим удачным образом
академика П. Л. Капицы). Эта скрипка, как известно, самая совершенная из скрипок, но чтобы на ней играть, нужно быть музыкантом экстра-класса.
Именно благодаря мастерскому владению диалектическим способом мышления Энгельсу и удавалось видеть гораздо дальше, шире и глубже своих современников-естествоиспытателей. Свидетельством тому конкретнонаучное подтверждение его философских предвидений, сделанных им в ходе критического анализа концепции "тепловой смерти" Вселенной. Как теперь выясняется, Энгельс сумел предугадать одно из главных направлений эволюции космической материи. Не будем, однако, забегать вперед...
Классическая космология к концу XIX века испытывала ряд принципиальных трудностей. Сформулированные в форме логических парадоксов, эти трудности будоражили теоретическую мысль на протяжении многих десятилетий. Наиболее твердым орешком оказался термодинамический парадокс (если Вселенная существует вечно, то давным-давно должно было наступить состояние полного статистического равновесия, чего, однако, нет в действительности!), а отзвуки бурных споров, разгоравшихся неоднократно начиная с конца XIX века, слышны по сей день.
На протяжении второго и третьего десятилетий XX столетия, когда шло становление релятивистской космологии, внимание ученых в основном было сосредоточено на двух других парадоксах - гравитационном (если, с одной стороны, Вселенная пространственно бесконечна, а с другой теория тяготения Ньютона действительно "всемирна", то в каждой точке космического пространства гравитационный потенциал был бы бесконечно большим, чего фактически нет) и фотометрическом (если бы Вселенная представляла собой бесконечную совокупность однородно распространенных по всему
пространству звезд, то их суммарное излучение было бы так велико, что ночное небо светило бы столь же ярко, как и дневное)).
Термодинамический же парадокс привлек внимание лишь в начале тридцатых годов, когда были заложены основы релятивистской термодинамики, когда классическая физика тепла была переформулирована на понятийном и математическом языке теории относительности. В итоге же выяснилось, что авторы нашумевшего вывода о грядущей "тепловой смерти" Вселенной не учли -дайне могли учесть, ибо это прояснилось именно в свете общей теории относительности,- принципиально важные физические особенности Вселенной как целокупности гравитирующих систем.