Мы сейчас не будем вдаваться в историю споров, развернувшихся вокруг истолкования красного смещения в спектрах галактик. Во всяком случае, к настоящему времени можно считать достаточно надежно установленной доплеровскую природу этого явления. Это означаат, что все галактики разбегаются в разных направлениях, и, чем дальше находится от нас та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Происходит растяжение пространства, не имеющее единого центра, и такое, что скорость увеличения расстояния между двумя любыми точками пропорциональна этому расстоянию.
Таким образом, мы живем в расширяющейся Вселен9 ной.
Зная скорости удаления галактик, можно мысленно повернуть картину расширения вспять, и тогда мы придем к фундаментальному выводу о том, что 15-18 миллиардов лет назад Вселенная находилась в ином состоянии, чем в нашу эпоху. Не было ни звезд, ни галактик, ни других обособленных космических объектов. Существовал только сгусток сверхплотной горячей плазмы.
Взрывной распад и расширение этого сгустка и привели в конечном итоге к возникновению всего того разнообразия объектов и физических условий, которые мы наблюдаем во Вселенной в нашу эпоху.
Таким образом, Вселенная изменяется во времени.
Ее прошлое не тождественно настоящему, а настоящее - будущему.
Существенному пересмотру подверглись также представления о том, что во Вселенной преобладают чрезвычайно медленные и плавные процессы. Как выяснилось в последние десятилетия прежде всего благодаря исследованиям советских астрономов, многие фазы развития материи в космосе резко нестационарны и носят характер взрыва, дезинтеграции, рассеяния. И подобная нестационарность проявляется в космических явлениях самых различных масштабов, на разных уровнях существования материи.
Как отметил академик В. А. Амбарцумян, важнейшим следствием этих открытий явилось, превращение астрофизики в эволюционную науку. Если раньше астрофизика в основном ограничивалась изучением физических свойств различных космических объектов, характеризующих главным образом их современное состояние, то сейчас на передний план выдвинулось изучение их предыстории, происхождения и развития, качественных превращений, переходов материи из одних форм в другие.
ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ
Таким образом, возникает задача выяснения прошедших состояний космических объектов, последовательных этапов их развития. Задача чрезвычайно сложная, если учесть, что речь идет о громадных промежутках времени в миллионы и миллиарды лет и о таких состояпиях, которые в нашу эпоху могли претерпеть кардинальные изменения.
Однако история естествознания показывает, что если перед наукой возникают те или иные задачи, то находятся и пути их решения. В частности, современная астрофизика располагает -вполне реальными возможностями проникновения в прошлое.
Вообще говоря, для того чтобы раскрыть закономерности развития какого-либо интересующего нас объекта, необходимо изучать его в движении, где движение понимается в широком смысле как любое изменение.
Существует старинная легенда о короле, который однажды задал своим мудрецам нелегкую задачу. Пригласив их во дворец, он указал им на большой каменный шар, лежавший посреди двора и попросил определить, что находится внутри его. Один за другим пытались мудрены разрешить трудную задачу. Сутками напролет просиживали они наедине с шаром, пристально вглядываясь в пего и стараясь силой мысли проникнуть внутрь камня. И один за другим удалялись, понурив голову, так и не справившись с заданием. Так продолжалось до тех пор, пока среди мудрецов не нашелся действительно мудрый человек. Он приказал разложить под загадочным шаром костер и нагревал его до тех пор, пока раскаленный камень пе треснул и шар не распался на две половинки. И тогда все увидели, что внутри шара нет ничего, кроме камня...
Если бы объект исследования был неподвижен, если бы с ним ничего не происходило, если бы в нем не было никаких изменений, то о нем нельзя было бы узнать что-либо достоверное. Подлинно научное доследование основано на изучении реальных изменений, происходящих в природе.
Конечно, и для "неподвижного" объекта можно сочинить предысторию. Но именно сочинить, потому что реалистичность подобных гипотез выявится лишь в том случае, если нам удастся проверить, в какой степени они предсказывают и объясняют происходящие изменения.
Представьте, что перед вами готовое, оштукатуренное, новенькое здание. И вы смотрите на него со стороны и совершенно ничего не знаете о том, из чего и каким способом оно сооружено. При такой ситуации можно строить любые гипотезы:: скажем, что оно сложено из кирпича, или кусков гранита, или панелей, или блоков, И любая из этих гипотез будет представляться одинаково правдоподобной.
Совсем иная ситуация возникла бы в том случае, если бы мы застали период, когда здание еще воздвигалось. Наблюдая за стройкой, мы. не только смогли бы разрабатывать вполне реалистические гипотезы, но и проверять их обоснованность дальнейшими наблюдениями.
К сожалению, астрономам приходится, как правило, иметь дело е почти "неподвижными" объектами. Таковы, например, большинство звезд и галактик, которые развиваются настолько медленно, что для человечества с его сравнительно короткой (с точки зрения космических масштабов) шкалой жизни они практически остаются неизменными. Даже целое столетие в истории подобного объекта все равно что секунда в нашей обыденной жизни. Наблюдая за подобными объектами много десятилетий подряд, мы все равно получаем как бы одну и ту же "моментальную" фотографию. Есть ли выход из этого действительно затруднительного положения?
Обратимся к нашему примеру с выстроенным домом.
Можно ли все-таки выяснить, как его сооружали? Для этого следует совершить "экскурсию" по городу и отыскать другие точно такие же дома, но на разных стадиях строительства. И если даже наша экскурсия будет совершена в воскресный день, когда все "неподвижно", мысленно расположив обнаруженные дома один за другим по "стадиям завершенности", мы получим "возрастной ряд", который поможет нам представить все последовательные этапы возведения дома.
Примерно так же поступают и ученые в своих трудных поисках прошлого звезд и галактик. Мир этих космических объектов чрезвычайно разнообразен. И это разнообразие объясняется не только существованием многих типов подобных космических объектов, но и тем, что различные звезды и галактики могут находиться в данный момент на разных этапах своей эволюции.
Чтобы судить о путях развития небесных тел, надо разделить их на классы однотипных объектов и внутри каждого такого класса составить "возрастной ряд". Подобный ряд вполне может заменить ряд следующих друг - за другом во времени состояний одного и того же интересующего нас объекта.
Подобный метод, который можно назвать "методом сравнения", находит применение не только в астрономии, но и во многих других областях современного естествознания.
Однако нередко бывает и так, что интересующий пас объект известен нам в единственном экземпляре. Таковы, например, наша планетная система или Метагалактика. Сравнить их не с чем. Но и в этом случае возможности для выяснения их предыстории есть. Еще В. И. Ленин отмечал, что в фундаменте самого здания материи можно "предполагать существование способности, сходной с ощущением", [Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. собр. соч., т. 18, с. 40] что вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения.
В наше время это свойство материи - хранить следы прежних состояний нашло практическое применение.
Достаточно напомнить хотя бы о "памяти" электронновычислительных машин и кибернетических устройств.
Итак, любая материя может обладать "памятью".
С этой точки зрения все закономерности окружающего вас мира можно разделить на две большие группы - закономерности, которые определяются основными, фундаментальными законами природы, и закономерности, которые постепенно складываются в процессе развития той или иной конкретной материальной системы.
Очевидно, закономерности первого типа не зависят от истории - они всегда одинаковы, а их проявления определяются конкретными условиями. Скажем, законы Кеплера действуют в Солнечной системе вне зависимости от путей се формирования. Следовательно, такие закономерности сами по себе ничего не могут сообщить нам об истории данной системы.
Что касается закономерностей второго типа, то они непосредственно зависят от хода эволюции и потому способны многое рассказать о прошлом. Иными словами, современное состояние многих материальных систем довольно часто содержит определенные сведения об их предыстории.
Но если материя способна хранить "следы" былого, то это значит: главный "ключ" к познанию прошлого космических объектов состоит прежде всего в глубоком изучении их современных состояний.
Тут невольно напрашивается сравнение с работой детектива. Вот он прибывает на место преступления. Оно совершилось, преступник исчез. Теперь необходимо восстановить то, что произошло несколько часов назад: без этого злоумышленник пе будет пойман. Живых свидетелей нет. И казалось бы, задача безнадежна. Однако есть другие свидетели - предметы, вещи. Они, хотя и мертвы, но отнюдь не безмолвны. В результате преступления л состоянии окружающей среды что-то изменилось: как бы ни изощрялся преступник, он почти неизбежно оставит какие-то следы. И по этим иногда едва различимым, казалось бы, ничего не говорящим следам опытный детектив сможет восстановить картину случившегося.
Сходные задачи приходится решать и ученому, интересующемуся былым состоянием тех или иных объектов. Кстати, мы уже воспользовались подобным способом, когда по картине современного движения галактик пытались восстановить прошлое Вселенной.
Рассмотрим в качестве примера проблему происхождения Солнечной системы. Наука располагает фактическими данными лишь о ее современном состоянии. Выход, очевидно, состоит в том, чтобы искать отражение минувшего в той картине планетной семьи Солнца, которая существует сегодня. Такой подход ограничивает диапазон возможных гипотез - ведь далеко не всякий путь развития мог привести Солнечную систему к ее современному виду...
Каковы те закономерности в строении Солнечной системы, которые можно было бы отнести ко второму типу, т. е. закономерности, зависящие от предыстории?
Это прежде всего закономерности планетных движений. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости, а их орбиты мало отличаются от окружностей. Между тем согласно законам механики обращение небесных тел под действием сил тяготения вокруг массивного центрального ядра должно происходить по различным направлениям, в разных плоскостях и по вытянутым, эллиптическим орбитам. Движение по окружностям в одном направлении да еще в одной плоскости - редчайший частный случай, и вероятность того, что он осуществится, например, при случайном объединении не связанных друг с другом небесных тел, практически равна нулю.
Это обстоятельство указывает на то, что семья Солпца сформировалась в каком-то едином процессе, в ходе которого и сложились наблюдаемые особенности планетпых движений.
Об этом же говорит и разделение планет Солнечной системы на две группы, отличающиеся по своим свойствам. Одну из них составляют четыре ближайшие к Солнцу планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Они сравнительно невелики по размерам и состоят преимущественно из тяжелых химических элементов. Во вторую группу входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, Это планеты-гиганты, состоящие в основном из водорода и его соединений и гелия.
Таким образом, всерьез можно, рассматривать лишь те космогонические гипотезы, которые не только описывают, как вещество из допланетного состояния сформировалось в планеты, но и показывают, как в этом процессе сложились современные закономерности Солнечной системы.
В тех случаях, когда речь идет oб изучении Вселенной, ученые располагают еще одной возможностью - возможностью непосредственного наблюдения предшествующих стадий развития космических объектов.
В обычной жизни мы видим все происходящее в тот самый момент, когда оно совершается в действительности. И даже тогда, когда, находясь в Москве, мы смотрим телевизионную передачу из далекого Владивостока, которая транслируется через искусственный спутник Земли, события в дальневосточной студии и на экране происходят фактически одновременно. Это и понятно, если вспомнить, что электромагнитные волны распространяются с колоссальной скоростью-около 300000 км/с. Такая скорость позволяет им мгновенно преодолевать любые земные расстояния.
Иное дело - расстояния космические. Уже от Лупы - ближайшего небесного тела - свет идет к нам больше секунды, а от Солнца - восемь минут восемнадцать секунд. Для того чтобы пробежать расстояние от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системыПлутона, световая волна затрачивает пять с половиной часов, а ближайшей звезды Проксимы Центавра она достигнет только через четыре года и четыре месяца.
Следовательно, Луну мы видим такой, какой она была секунду назад, Солнце - с опозданием на 8 минут 18 секунд, а Проксиму Центавра - на 4 года и 4 месяца.
Таким образом, наблюдая небо, мы непосредственно заглядываем в прошлое Вселенной. И чем дальше находится тот или иной объект, тем в более отдаленные времена мы проникаем.
Если бы, скажем, хорошо знакомая всем Полярная звезда сегодня вообще перестала существовать, то мы, находясь на Земле, продолжали бы видеть эту фактически уже не существующую звезду еще на протяжении 500 лет - как раз тот срок, который необходим световым лучам, чтобы преодолеть огромное расстояние, отделяющее Полярную звезду от Земли.
Таким образом, каждая звезда, каждая галактика, которую мы видим, одна из жпвых страниц истории Вселенной.
Современные средства астрономических исследовании позволяют наблюдать объекты, расположенные на расстояниях вплоть до 10-12 миллиардов световых лиг.
Это означает, что соответствующие этим расстояниям объекты мы наблюдаем такими, какими они были 10- 12 миллиардов лет тому назад.
Более того, в принципе есть возможность получать непосредственную информацию и о самых рандих этапах существования Вселенной. Из теории расширяющейся Вселенной следует, что через несколько сотен тысяч лег после начала расширения плотность среды снизилась настолько, что электромагнитное излучение получило возможность свободно распространяться в пространстве.
Это "ископаемое", реликтовое излучение дожило до нашей эпохи и в настоящее время надежно регистрируется радиотелескопами. Изучение его свойств, в частности, показало, что начальное вещество обладало весьма высокой температурой, - это была горячая плазма.
Реликтовое излучение несет нам прямую информацию о периоде, отстоявшем от начала расширения на несколько сотен тысяч лет.
Современные фундаментальные физические теории дают нам полные достоверные данные, вплоть до еще более раннего момента, когда расширяющийся сгусток обладал ядерной плотностью. Этот момент отстоял от начала расширения не более чем на одну секунду.
Таким образом, мы уже сейчас располагаем достаточно надежными, сведениями об отрезке времени, продолжительность которого составляет 99,99 всей истории Метагалактики...
Разумеется, всякая экстраполяция, т. е. распространение наших знаний в прошлое или будущее Вселенной, неизбежно влечет за собой известную долю неопределенности. И чем дальше мы углубляемся в прошлое или будущее, тем эта неопределенность больше. Хотя по мере развития науки она неуклонно уменьшается.
Есть принципиальная возможность получить непосредственную информацию и о самых первых мгновениях расширения Вселенной.
Реликтовые нейтрино могут принести нам сведения вплоть до момента, отстоявшего от начала расширения всего на 0,3 секунды. На еще более ранней стадии плотность вещества была настолько велика, что оно было непроницаемым даже для нейтрино.
Об этой стадии, возможно, могли бы рассказать так называемые гравитационные волны.
Пока что реликтовые нейтрино и гравитационные волпы мы регистрировать не умеем. Но суть дела от втого не меняется. Со временем способы регистрации втих излучений будут разработаны, и у исследователей Вселенной появится возможность получать информацию о начальном этапе ее существования.
НЕИЗБЕЖНОСТЬ ВСЕ БОЛЕЕ СТРАННОГО МИРА
С каждым новым фундаментальным открытием мир представал перед взором человека все более странным и необычным, сперва с точки зрения повседневных наглядных представлений о нем, обыденного здравого смысла, в по мере дальнейшего развития науки - и с точки зревия господствующих в данный момент, успевших стать привычными научных представлений.
"Именно прогресс фундаментальных знаний, - говорил с трибуны XXV съезда КПСС президент Академии наук СССР, академик А. П. Александров, - изменяет, казалось бы, установившиеся и незыблемые в науке точки зрения, открывает новые области в науке и технике... открывает возможности использования совершенно новых, часто неожиданных явлений в областях, совершенно не имевших никакого отношения к первоначальной области исследований".
Отмечая то обстоятельство, что свойства реального мира, открываемые в процессе научного исследования, могут вступать в противоречие с нашими привычными представлениями о нем, выдающийся физик XX столетия Макс Борн (1882-1970) подчеркивал, что решающим фактором развития естествознания является "необходимость признания человеком внешнего реального мира..., существующего независимо от человека и его способности идти вразрез со своими ощущениями там, где это нужно для сохранения данного убеждения".
Многие великие научные открытия основаны на способности ученого отвлекаться от своего обыденного опыта и гипноза наглядных представлений. Дело в том, что одна из характерных особенностей мира явлений, изучаемых современным естествознанием, состоит в том, что эти явления становятся все менее и менее наглядными.
В свое время некоторые философы считали: то, что нельзя наглядно представить, скажем замкнутый в себе мир, не может и существовать. Осознание того факта, что мир "странных", диковинных явлений реально существует и познается наукой, помогает освободиться от такого примитивного, неправильного подхода к понимавию природы и тем самым способствует прогрессу естествознания.
Очень многое из того, что изучают современная физика и астрофизика, нельзя представить себе наглядно.
Но понять можно! И в этом главное. Например, совершенно невозможно представить себе пространства со сложной геометрией. Но их свойства можно попять и описать с помощью соответствующего математического аппарата.
В то же время это вовсе не означает, что современные физики и астрономы в процессе научного исследования вообще не пользуются наглядными представлениями. Наглядные образы необходимы как в ходе научного поиска, так и при объяснении сложных явлений. Flo эти образы нельзя отождествлять с самим реальным миром: они носят условный, вспомогательный характер.
Копернику одному из первых удалось преодолеть гипноз наглядных представлений об окружающем мире и разглядеть за видимыми перемещениями небесных светил их подлинные движения в мировом пространстве.
Но и ряд последующих шагов, которые в конечном счете привели к построению картины мира классической физики, был также связан с преодолением, привычных представлений. Открывая свои "три закона", Кеплер преодолел распространенное в то время убеждение о круговом характере планетных орбит и движении планет с постоянными угловыми скоростями.
Формулируя свой "принцип инерции", Галилей должен был преодолеть представление о том, что равномерное прямолинейное движение тола происходит под действием постоянной силы.
Ньютон открыл закон тяготения вопреки убеждению о том, что планеты "подталкивают" какие-то неведомые таинственные силы...
И все же пока физика ограничивалась изучением таких процессов, с которыми человек сталкивается более или менее непосредственно, ее выводы не вступали в какие-либо особые противоречия с нашим повседневным опытом.
Когда же в начале XX столетия физика вторглась в мир микроявлений и занялась глубоким осмысливанием физических процессов космического масштаба, то она обнаружила ряд фактов, обстоятельств и закономерностей, которые оказались весьма странными и необычными не только с точки зрения обыденного здравого смысла, но и с позиций всего предшествующего классического естествознания.
Эти странности нашли свое отражение прежде всего в двух величайших теориях нашего века - квантовой механике и теории относительности.
Первая из них утвердила совершенно новые представления о свойствах мельчайших частиц материй - элементарных частиц. Оказалось, например, что не существует принципиальной разницы мея;ду частицей и волной, между веществом и излучением. В одних ситуациях частицы проявляют свои корпускулярные свойства, в других - волновые. Вещественные частицы могут превращаться в излучение, а порции излучения - фотоны - в вещественные частицы.
Одним из самых поразительных выводов квантовой физики, противоречащих как наглядным представлениям о мире, так и основам классической физики, явился так называемый принцип неопределенности, о котором было упомянуто в одной из предыдущих глав. Оказалось, что у микрочастицы никакими средствами невозможно одновременно точно измерить скорость и положение в пространстве. Это означало, что у микрочастиц нет траекторий движения в обычном понимании, а они представляют собой нечто вроде размазанного в пространстве облака.
Еще необычнее оказались выводы теории относительности. В частности, выяснилось, что многие физические величины, которые казались абсолютными и неизменными, например, масса какого-либо тола, длины отрезков, промежутки времени, в действительности являются-относительными, зависящими от характера движения системы, в которой происходят те или иные физические явления.
Так, оказалось, что масса тела возрастает с увеличением его скорости. И потому масса, скажем, протона или нейтрона, летящего со скоростью, близкой к скорости света, может в принципе превзойти массу Земли, Солнца и даже массу нашей звездной системы - Галактики.
Но все это были еще только самые первые шаги в тот удивительный, странный мир науки, который во второй половине XX столетия все стремительнее развертывается перед нами.
В ГЛУБИНАХ МИКРОМИРА
Одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания является физика микромира, занимающаяся изучением строения материи на уровне микропроцессов - атомов, атомных ядер и элементарных частиц.
В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь двадцать лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц, и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц сейчас их число измеряется сотнями.
Далее в физике микромира наступило заметное затишье. Во всяком случае, лет пять назад многие специалисты высказывали мнение, что эта область физической науки явно отступает на второй план.
Однако застой оказался временным, и в последние годы ситуация изменилась самым существенным образом.
Получила развитие особая область физики элементарных частиц - так называемых новых частиц. Были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами.
Еще в 1964 г. физики-теоретики М. Гелл-Манн в Г. Цвейг, исходя из некоторых теоретических соображений, выдвинули смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах кварках. Согласно этой идее существуют три кварка с дробными электрическими зарядами и три соответствующих им антикварна. Из кварков и антикварков могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны, их античастицы, а также некоторые другие элементарные частицы.
В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.
С 1964 по 1970 г. во многих лабораториях мира предпринимались активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии так и не удалось. Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что эти частицы наконец открыты, по дальнейшие исследования подобные сообщения не подтверждают.
В связи с этим произошло некоторое охлаждение к гипотезе кварков. И в то же время без кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц. Поэтому,, несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжала развиваться. В результате теоретики пришли к выводу, что должен существовать еще один четвертый кварк, так называемый С-кварк, со своим антикварном.
Таким образом, мы живем в расширяющейся Вселен9 ной.
Зная скорости удаления галактик, можно мысленно повернуть картину расширения вспять, и тогда мы придем к фундаментальному выводу о том, что 15-18 миллиардов лет назад Вселенная находилась в ином состоянии, чем в нашу эпоху. Не было ни звезд, ни галактик, ни других обособленных космических объектов. Существовал только сгусток сверхплотной горячей плазмы.
Взрывной распад и расширение этого сгустка и привели в конечном итоге к возникновению всего того разнообразия объектов и физических условий, которые мы наблюдаем во Вселенной в нашу эпоху.
Таким образом, Вселенная изменяется во времени.
Ее прошлое не тождественно настоящему, а настоящее - будущему.
Существенному пересмотру подверглись также представления о том, что во Вселенной преобладают чрезвычайно медленные и плавные процессы. Как выяснилось в последние десятилетия прежде всего благодаря исследованиям советских астрономов, многие фазы развития материи в космосе резко нестационарны и носят характер взрыва, дезинтеграции, рассеяния. И подобная нестационарность проявляется в космических явлениях самых различных масштабов, на разных уровнях существования материи.
Как отметил академик В. А. Амбарцумян, важнейшим следствием этих открытий явилось, превращение астрофизики в эволюционную науку. Если раньше астрофизика в основном ограничивалась изучением физических свойств различных космических объектов, характеризующих главным образом их современное состояние, то сейчас на передний план выдвинулось изучение их предыстории, происхождения и развития, качественных превращений, переходов материи из одних форм в другие.
ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ
Таким образом, возникает задача выяснения прошедших состояний космических объектов, последовательных этапов их развития. Задача чрезвычайно сложная, если учесть, что речь идет о громадных промежутках времени в миллионы и миллиарды лет и о таких состояпиях, которые в нашу эпоху могли претерпеть кардинальные изменения.
Однако история естествознания показывает, что если перед наукой возникают те или иные задачи, то находятся и пути их решения. В частности, современная астрофизика располагает -вполне реальными возможностями проникновения в прошлое.
Вообще говоря, для того чтобы раскрыть закономерности развития какого-либо интересующего нас объекта, необходимо изучать его в движении, где движение понимается в широком смысле как любое изменение.
Существует старинная легенда о короле, который однажды задал своим мудрецам нелегкую задачу. Пригласив их во дворец, он указал им на большой каменный шар, лежавший посреди двора и попросил определить, что находится внутри его. Один за другим пытались мудрены разрешить трудную задачу. Сутками напролет просиживали они наедине с шаром, пристально вглядываясь в пего и стараясь силой мысли проникнуть внутрь камня. И один за другим удалялись, понурив голову, так и не справившись с заданием. Так продолжалось до тех пор, пока среди мудрецов не нашелся действительно мудрый человек. Он приказал разложить под загадочным шаром костер и нагревал его до тех пор, пока раскаленный камень пе треснул и шар не распался на две половинки. И тогда все увидели, что внутри шара нет ничего, кроме камня...
Если бы объект исследования был неподвижен, если бы с ним ничего не происходило, если бы в нем не было никаких изменений, то о нем нельзя было бы узнать что-либо достоверное. Подлинно научное доследование основано на изучении реальных изменений, происходящих в природе.
Конечно, и для "неподвижного" объекта можно сочинить предысторию. Но именно сочинить, потому что реалистичность подобных гипотез выявится лишь в том случае, если нам удастся проверить, в какой степени они предсказывают и объясняют происходящие изменения.
Представьте, что перед вами готовое, оштукатуренное, новенькое здание. И вы смотрите на него со стороны и совершенно ничего не знаете о том, из чего и каким способом оно сооружено. При такой ситуации можно строить любые гипотезы:: скажем, что оно сложено из кирпича, или кусков гранита, или панелей, или блоков, И любая из этих гипотез будет представляться одинаково правдоподобной.
Совсем иная ситуация возникла бы в том случае, если бы мы застали период, когда здание еще воздвигалось. Наблюдая за стройкой, мы. не только смогли бы разрабатывать вполне реалистические гипотезы, но и проверять их обоснованность дальнейшими наблюдениями.
К сожалению, астрономам приходится, как правило, иметь дело е почти "неподвижными" объектами. Таковы, например, большинство звезд и галактик, которые развиваются настолько медленно, что для человечества с его сравнительно короткой (с точки зрения космических масштабов) шкалой жизни они практически остаются неизменными. Даже целое столетие в истории подобного объекта все равно что секунда в нашей обыденной жизни. Наблюдая за подобными объектами много десятилетий подряд, мы все равно получаем как бы одну и ту же "моментальную" фотографию. Есть ли выход из этого действительно затруднительного положения?
Обратимся к нашему примеру с выстроенным домом.
Можно ли все-таки выяснить, как его сооружали? Для этого следует совершить "экскурсию" по городу и отыскать другие точно такие же дома, но на разных стадиях строительства. И если даже наша экскурсия будет совершена в воскресный день, когда все "неподвижно", мысленно расположив обнаруженные дома один за другим по "стадиям завершенности", мы получим "возрастной ряд", который поможет нам представить все последовательные этапы возведения дома.
Примерно так же поступают и ученые в своих трудных поисках прошлого звезд и галактик. Мир этих космических объектов чрезвычайно разнообразен. И это разнообразие объясняется не только существованием многих типов подобных космических объектов, но и тем, что различные звезды и галактики могут находиться в данный момент на разных этапах своей эволюции.
Чтобы судить о путях развития небесных тел, надо разделить их на классы однотипных объектов и внутри каждого такого класса составить "возрастной ряд". Подобный ряд вполне может заменить ряд следующих друг - за другом во времени состояний одного и того же интересующего нас объекта.
Подобный метод, который можно назвать "методом сравнения", находит применение не только в астрономии, но и во многих других областях современного естествознания.
Однако нередко бывает и так, что интересующий пас объект известен нам в единственном экземпляре. Таковы, например, наша планетная система или Метагалактика. Сравнить их не с чем. Но и в этом случае возможности для выяснения их предыстории есть. Еще В. И. Ленин отмечал, что в фундаменте самого здания материи можно "предполагать существование способности, сходной с ощущением", [Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. собр. соч., т. 18, с. 40] что вся материя обладает свойством, по существу родственным с ощущением, свойством отражения.
В наше время это свойство материи - хранить следы прежних состояний нашло практическое применение.
Достаточно напомнить хотя бы о "памяти" электронновычислительных машин и кибернетических устройств.
Итак, любая материя может обладать "памятью".
С этой точки зрения все закономерности окружающего вас мира можно разделить на две большие группы - закономерности, которые определяются основными, фундаментальными законами природы, и закономерности, которые постепенно складываются в процессе развития той или иной конкретной материальной системы.
Очевидно, закономерности первого типа не зависят от истории - они всегда одинаковы, а их проявления определяются конкретными условиями. Скажем, законы Кеплера действуют в Солнечной системе вне зависимости от путей се формирования. Следовательно, такие закономерности сами по себе ничего не могут сообщить нам об истории данной системы.
Что касается закономерностей второго типа, то они непосредственно зависят от хода эволюции и потому способны многое рассказать о прошлом. Иными словами, современное состояние многих материальных систем довольно часто содержит определенные сведения об их предыстории.
Но если материя способна хранить "следы" былого, то это значит: главный "ключ" к познанию прошлого космических объектов состоит прежде всего в глубоком изучении их современных состояний.
Тут невольно напрашивается сравнение с работой детектива. Вот он прибывает на место преступления. Оно совершилось, преступник исчез. Теперь необходимо восстановить то, что произошло несколько часов назад: без этого злоумышленник пе будет пойман. Живых свидетелей нет. И казалось бы, задача безнадежна. Однако есть другие свидетели - предметы, вещи. Они, хотя и мертвы, но отнюдь не безмолвны. В результате преступления л состоянии окружающей среды что-то изменилось: как бы ни изощрялся преступник, он почти неизбежно оставит какие-то следы. И по этим иногда едва различимым, казалось бы, ничего не говорящим следам опытный детектив сможет восстановить картину случившегося.
Сходные задачи приходится решать и ученому, интересующемуся былым состоянием тех или иных объектов. Кстати, мы уже воспользовались подобным способом, когда по картине современного движения галактик пытались восстановить прошлое Вселенной.
Рассмотрим в качестве примера проблему происхождения Солнечной системы. Наука располагает фактическими данными лишь о ее современном состоянии. Выход, очевидно, состоит в том, чтобы искать отражение минувшего в той картине планетной семьи Солнца, которая существует сегодня. Такой подход ограничивает диапазон возможных гипотез - ведь далеко не всякий путь развития мог привести Солнечную систему к ее современному виду...
Каковы те закономерности в строении Солнечной системы, которые можно было бы отнести ко второму типу, т. е. закономерности, зависящие от предыстории?
Это прежде всего закономерности планетных движений. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости, а их орбиты мало отличаются от окружностей. Между тем согласно законам механики обращение небесных тел под действием сил тяготения вокруг массивного центрального ядра должно происходить по различным направлениям, в разных плоскостях и по вытянутым, эллиптическим орбитам. Движение по окружностям в одном направлении да еще в одной плоскости - редчайший частный случай, и вероятность того, что он осуществится, например, при случайном объединении не связанных друг с другом небесных тел, практически равна нулю.
Это обстоятельство указывает на то, что семья Солпца сформировалась в каком-то едином процессе, в ходе которого и сложились наблюдаемые особенности планетпых движений.
Об этом же говорит и разделение планет Солнечной системы на две группы, отличающиеся по своим свойствам. Одну из них составляют четыре ближайшие к Солнцу планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс.
Они сравнительно невелики по размерам и состоят преимущественно из тяжелых химических элементов. Во вторую группу входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, Это планеты-гиганты, состоящие в основном из водорода и его соединений и гелия.
Таким образом, всерьез можно, рассматривать лишь те космогонические гипотезы, которые не только описывают, как вещество из допланетного состояния сформировалось в планеты, но и показывают, как в этом процессе сложились современные закономерности Солнечной системы.
В тех случаях, когда речь идет oб изучении Вселенной, ученые располагают еще одной возможностью - возможностью непосредственного наблюдения предшествующих стадий развития космических объектов.
В обычной жизни мы видим все происходящее в тот самый момент, когда оно совершается в действительности. И даже тогда, когда, находясь в Москве, мы смотрим телевизионную передачу из далекого Владивостока, которая транслируется через искусственный спутник Земли, события в дальневосточной студии и на экране происходят фактически одновременно. Это и понятно, если вспомнить, что электромагнитные волны распространяются с колоссальной скоростью-около 300000 км/с. Такая скорость позволяет им мгновенно преодолевать любые земные расстояния.
Иное дело - расстояния космические. Уже от Лупы - ближайшего небесного тела - свет идет к нам больше секунды, а от Солнца - восемь минут восемнадцать секунд. Для того чтобы пробежать расстояние от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системыПлутона, световая волна затрачивает пять с половиной часов, а ближайшей звезды Проксимы Центавра она достигнет только через четыре года и четыре месяца.
Следовательно, Луну мы видим такой, какой она была секунду назад, Солнце - с опозданием на 8 минут 18 секунд, а Проксиму Центавра - на 4 года и 4 месяца.
Таким образом, наблюдая небо, мы непосредственно заглядываем в прошлое Вселенной. И чем дальше находится тот или иной объект, тем в более отдаленные времена мы проникаем.
Если бы, скажем, хорошо знакомая всем Полярная звезда сегодня вообще перестала существовать, то мы, находясь на Земле, продолжали бы видеть эту фактически уже не существующую звезду еще на протяжении 500 лет - как раз тот срок, который необходим световым лучам, чтобы преодолеть огромное расстояние, отделяющее Полярную звезду от Земли.
Таким образом, каждая звезда, каждая галактика, которую мы видим, одна из жпвых страниц истории Вселенной.
Современные средства астрономических исследовании позволяют наблюдать объекты, расположенные на расстояниях вплоть до 10-12 миллиардов световых лиг.
Это означает, что соответствующие этим расстояниям объекты мы наблюдаем такими, какими они были 10- 12 миллиардов лет тому назад.
Более того, в принципе есть возможность получать непосредственную информацию и о самых рандих этапах существования Вселенной. Из теории расширяющейся Вселенной следует, что через несколько сотен тысяч лег после начала расширения плотность среды снизилась настолько, что электромагнитное излучение получило возможность свободно распространяться в пространстве.
Это "ископаемое", реликтовое излучение дожило до нашей эпохи и в настоящее время надежно регистрируется радиотелескопами. Изучение его свойств, в частности, показало, что начальное вещество обладало весьма высокой температурой, - это была горячая плазма.
Реликтовое излучение несет нам прямую информацию о периоде, отстоявшем от начала расширения на несколько сотен тысяч лет.
Современные фундаментальные физические теории дают нам полные достоверные данные, вплоть до еще более раннего момента, когда расширяющийся сгусток обладал ядерной плотностью. Этот момент отстоял от начала расширения не более чем на одну секунду.
Таким образом, мы уже сейчас располагаем достаточно надежными, сведениями об отрезке времени, продолжительность которого составляет 99,99 всей истории Метагалактики...
Разумеется, всякая экстраполяция, т. е. распространение наших знаний в прошлое или будущее Вселенной, неизбежно влечет за собой известную долю неопределенности. И чем дальше мы углубляемся в прошлое или будущее, тем эта неопределенность больше. Хотя по мере развития науки она неуклонно уменьшается.
Есть принципиальная возможность получить непосредственную информацию и о самых первых мгновениях расширения Вселенной.
Реликтовые нейтрино могут принести нам сведения вплоть до момента, отстоявшего от начала расширения всего на 0,3 секунды. На еще более ранней стадии плотность вещества была настолько велика, что оно было непроницаемым даже для нейтрино.
Об этой стадии, возможно, могли бы рассказать так называемые гравитационные волны.
Пока что реликтовые нейтрино и гравитационные волпы мы регистрировать не умеем. Но суть дела от втого не меняется. Со временем способы регистрации втих излучений будут разработаны, и у исследователей Вселенной появится возможность получать информацию о начальном этапе ее существования.
НЕИЗБЕЖНОСТЬ ВСЕ БОЛЕЕ СТРАННОГО МИРА
С каждым новым фундаментальным открытием мир представал перед взором человека все более странным и необычным, сперва с точки зрения повседневных наглядных представлений о нем, обыденного здравого смысла, в по мере дальнейшего развития науки - и с точки зревия господствующих в данный момент, успевших стать привычными научных представлений.
"Именно прогресс фундаментальных знаний, - говорил с трибуны XXV съезда КПСС президент Академии наук СССР, академик А. П. Александров, - изменяет, казалось бы, установившиеся и незыблемые в науке точки зрения, открывает новые области в науке и технике... открывает возможности использования совершенно новых, часто неожиданных явлений в областях, совершенно не имевших никакого отношения к первоначальной области исследований".
Отмечая то обстоятельство, что свойства реального мира, открываемые в процессе научного исследования, могут вступать в противоречие с нашими привычными представлениями о нем, выдающийся физик XX столетия Макс Борн (1882-1970) подчеркивал, что решающим фактором развития естествознания является "необходимость признания человеком внешнего реального мира..., существующего независимо от человека и его способности идти вразрез со своими ощущениями там, где это нужно для сохранения данного убеждения".
Многие великие научные открытия основаны на способности ученого отвлекаться от своего обыденного опыта и гипноза наглядных представлений. Дело в том, что одна из характерных особенностей мира явлений, изучаемых современным естествознанием, состоит в том, что эти явления становятся все менее и менее наглядными.
В свое время некоторые философы считали: то, что нельзя наглядно представить, скажем замкнутый в себе мир, не может и существовать. Осознание того факта, что мир "странных", диковинных явлений реально существует и познается наукой, помогает освободиться от такого примитивного, неправильного подхода к понимавию природы и тем самым способствует прогрессу естествознания.
Очень многое из того, что изучают современная физика и астрофизика, нельзя представить себе наглядно.
Но понять можно! И в этом главное. Например, совершенно невозможно представить себе пространства со сложной геометрией. Но их свойства можно попять и описать с помощью соответствующего математического аппарата.
В то же время это вовсе не означает, что современные физики и астрономы в процессе научного исследования вообще не пользуются наглядными представлениями. Наглядные образы необходимы как в ходе научного поиска, так и при объяснении сложных явлений. Flo эти образы нельзя отождествлять с самим реальным миром: они носят условный, вспомогательный характер.
Копернику одному из первых удалось преодолеть гипноз наглядных представлений об окружающем мире и разглядеть за видимыми перемещениями небесных светил их подлинные движения в мировом пространстве.
Но и ряд последующих шагов, которые в конечном счете привели к построению картины мира классической физики, был также связан с преодолением, привычных представлений. Открывая свои "три закона", Кеплер преодолел распространенное в то время убеждение о круговом характере планетных орбит и движении планет с постоянными угловыми скоростями.
Формулируя свой "принцип инерции", Галилей должен был преодолеть представление о том, что равномерное прямолинейное движение тола происходит под действием постоянной силы.
Ньютон открыл закон тяготения вопреки убеждению о том, что планеты "подталкивают" какие-то неведомые таинственные силы...
И все же пока физика ограничивалась изучением таких процессов, с которыми человек сталкивается более или менее непосредственно, ее выводы не вступали в какие-либо особые противоречия с нашим повседневным опытом.
Когда же в начале XX столетия физика вторглась в мир микроявлений и занялась глубоким осмысливанием физических процессов космического масштаба, то она обнаружила ряд фактов, обстоятельств и закономерностей, которые оказались весьма странными и необычными не только с точки зрения обыденного здравого смысла, но и с позиций всего предшествующего классического естествознания.
Эти странности нашли свое отражение прежде всего в двух величайших теориях нашего века - квантовой механике и теории относительности.
Первая из них утвердила совершенно новые представления о свойствах мельчайших частиц материй - элементарных частиц. Оказалось, например, что не существует принципиальной разницы мея;ду частицей и волной, между веществом и излучением. В одних ситуациях частицы проявляют свои корпускулярные свойства, в других - волновые. Вещественные частицы могут превращаться в излучение, а порции излучения - фотоны - в вещественные частицы.
Одним из самых поразительных выводов квантовой физики, противоречащих как наглядным представлениям о мире, так и основам классической физики, явился так называемый принцип неопределенности, о котором было упомянуто в одной из предыдущих глав. Оказалось, что у микрочастицы никакими средствами невозможно одновременно точно измерить скорость и положение в пространстве. Это означало, что у микрочастиц нет траекторий движения в обычном понимании, а они представляют собой нечто вроде размазанного в пространстве облака.
Еще необычнее оказались выводы теории относительности. В частности, выяснилось, что многие физические величины, которые казались абсолютными и неизменными, например, масса какого-либо тола, длины отрезков, промежутки времени, в действительности являются-относительными, зависящими от характера движения системы, в которой происходят те или иные физические явления.
Так, оказалось, что масса тела возрастает с увеличением его скорости. И потому масса, скажем, протона или нейтрона, летящего со скоростью, близкой к скорости света, может в принципе превзойти массу Земли, Солнца и даже массу нашей звездной системы - Галактики.
Но все это были еще только самые первые шаги в тот удивительный, странный мир науки, который во второй половине XX столетия все стремительнее развертывается перед нами.
В ГЛУБИНАХ МИКРОМИРА
Одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания является физика микромира, занимающаяся изучением строения материи на уровне микропроцессов - атомов, атомных ядер и элементарных частиц.
В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь двадцать лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц, и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц сейчас их число измеряется сотнями.
Далее в физике микромира наступило заметное затишье. Во всяком случае, лет пять назад многие специалисты высказывали мнение, что эта область физической науки явно отступает на второй план.
Однако застой оказался временным, и в последние годы ситуация изменилась самым существенным образом.
Получила развитие особая область физики элементарных частиц - так называемых новых частиц. Были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами.
Еще в 1964 г. физики-теоретики М. Гелл-Манн в Г. Цвейг, исходя из некоторых теоретических соображений, выдвинули смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах кварках. Согласно этой идее существуют три кварка с дробными электрическими зарядами и три соответствующих им антикварна. Из кварков и антикварков могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны, их античастицы, а также некоторые другие элементарные частицы.
В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.
С 1964 по 1970 г. во многих лабораториях мира предпринимались активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии так и не удалось. Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что эти частицы наконец открыты, по дальнейшие исследования подобные сообщения не подтверждают.
В связи с этим произошло некоторое охлаждение к гипотезе кварков. И в то же время без кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц. Поэтому,, несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжала развиваться. В результате теоретики пришли к выводу, что должен существовать еще один четвертый кварк, так называемый С-кварк, со своим антикварном.