Страница:
Автор неизвестен
Эврика-86
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.
Как оказывается, дело вовсе не в бесконечности или конечности пространственной протяженности Вселенной - второй закон термодинамики одинаково применим к обоим типам физической Вселенной. И хотя непрерывное возрастание энтропии никогда не прекращается, Вселенная никогда не достигнет состояния теплового равновесия, ибо самого предельного, максимального значения энтропии не существует
В чем же дело?
Главное - в физических тонкостях "взаимоотношения" Вселенной и создаваемого ею гравитационного поля. Последнее же, как это выяснилось уже после эпохального научного открытия А. Фридмана (расширения Вселенной), оказалось переменным. Между тем вывод классической науки о том, что любая замкнутая физическая система в ходе своей длительной эволюции неизбежно перейдет в состояние статистического равновесия, относится к системе, находящейся в стационарных (неизменных во времени) внешних условиях. Это во-первых.
Во-вторых, переменное гравитационное поле замкнутой системы с точки зрения теории тяготения Эйнштейна не
может уже рассматриваться составной частью системы (не будь это так, законы сохранения, образующие основу физической статистики, применительно ко Вселенной как целому потеряли бы всякий смысл); оно выступает по отношению ко Вселенной внешним, причем нестационарным условием. Коль скоро это так, Вселенную в целом нельзя считать изолированной (замкнутой) физической системой в принятом значении этого термина.
Вот почему применимость второго закона термодинамики в космологии не означает автоматического наступления во всей Вселенной статистического равновесия: нестационарной (расширяющейся) Вселенной не страшна угроза "тепловой смерти", ибо ей не суждено осуществиться когда-либо! Однако, как свидетельствует опыт одного из героев древнеиранских сказок, выпустить дэва из закупоренного кувшина гораздо легче, чем вновь загнать его туда...
И действительно, на светлом фоне последних теоретических достижений космологии опять видна тень идеи физической смерти Вселенной (правда, теперь уже не "тепловой", а "холодной"), идеи, казалось бы, давно похороненной на кладбище честолюбивых амбиций религиозно ориентированного человеческого сознания.
Относительно будущей судьбы наблюдаемой Вселенной фридмановская теория предлагает два сценария, выбор одного из которых зависит от среднего значения определенного, измеримого космологического параметра величины средней плотности космической материи в настоящую эпоху: последующее неограниченное во времени расширение или же сжатие после достижения максимального радиуса расширения с последующим возможным повторением всего эволюционного цикла (расширение - сжатие).
Так вот, говоря о тени идеи физической смерти Вселенной в новейшей космологии, мы имеем в виду те схемы
развития Вселенной, которые предсказывают неограниченное во времени расширение Метагалактики.
Долгое время эти космологические модели оставались математическими схемами, лишенными физической плоти и крови. Недавно их физической конкретизацией занялись известные теоретики (Ф. Дайсон, К. Ислам, С. Вайнберг, И. Шкловский и другие). Как оказалось, в весьма отдаленном будущем Вселенную ожидает "мучительнейший конец". Так, согласно выводам группы американских исследователей (Д. Айкус, Дж. Литоу, Д. Теплиц, В. Теплиц), рассчитавших развитие космической материи на период до 10'°° лет, эволюция пространственнооткрытой Вселенной должна пройти шесть этапов.
Спустя 10'^ лет (после начала ныне продолжающегося расширения) все звезды израсходуют свое ядерное горючее и погаснут (первый этап). Когда возраст Вселенной достигнет 10'^ лет, мертвые звезды останутся без своих планет (второй этап). Затем начнется "испарение" звезд из галактик; оставшееся же в галактиках вещество начнет сжиматься, а в конечном итоге образует сверхмассивные "черные дыры" (третий этап). В течение последующих лет распадутся все протоны, что, в свою очередь, приведет к нагреву холодных звезд, покинувших свои галактики (четвертый этап). Когда возраст Вселенной достигнет 10^ лет, распадется почти 40 процентов всего вещества (пятый этап). К 10^ годам во Вселенной останутся лишь разреженный электрон-позитронный газ, нейтрино и фотоны, а также сверхмассивные "черные дыры". Когда же возраст Вселенной достигнет 10'°° лет, то в процессы необратимого разложения будут вовлечены и сами дыры.
Не излагая другие теоретические выкладки, касающиеся физических деталей эволюции Вселенной по
щей ветви развития, ограничимся двумя замечаниями общего характера.
Во-первых, на достигнутом ныне уровне знания вопрос о направлении и характере эволюции Вселенной в отдаленном будущем в принципе остается открытым: современная космология еще не может утверждать с полной уверенностью, чем кончится ныне наблюдаемое расширение. Пространственно-открытая же модель, в рамках которой предсказывается физическая судьба наблюдаемой Вселенной,- лишь один из возможных вариантов развития космической материи, согласно одной из многочисленных общерелятивистских моделей, совершенно равноправных в теоретическом и логическом планах. Хотя многие современные космологи высказываются именно за этот вариант, однако есть не менее веские аргументы в пользу пространственно-замкнутой осциллирующей модели. Так, ряд ведущих астрофизиков полагают, что во Вселенной, кроме видимого вещества, может существовать и много невидимой материи, учет которой заметно изменит общую оценку средней плотности космологического субстрата.
В самое последнее время в связи с предполагаемым открытием массы покоя у нейтрино значительно укрепилось Эмпирическое основание этой точки зрения. Возможно, именно реликтохые нейтрино вносят основной вклад в среднюю плотность космической материи; она с учетом этого вклада оказывается больше ее критического значения, обеспечивающего конец расширения. (При этом автоматически разрешается и проблема "скрытой массы" галактик и их скоплений.) Это значит, что нейтринная Вселенная пространственно замкнута и со временем ее нынешнее расширение сменится сжатием.
Во-вторых, новейшие астрономические и физические представления вовсе не отменяют классические философские идеи и концепции, касающиеся общих закономерностей
вания Вселенной как целого. Напротив, самой логикой развития релятивистской астрофизики они обобщаются и возводятся в новую космологическую ступень. В особенности речь идет об идее космического круговорота, обоснованной Ф. Энгельсом на материале классической астрономии. Ф. Энгельс, напомним, заключил, что, в сущности, проблема только еще поставлена, но отнюдь не решена. Она будет решена лишь тогда, когда будет физически показано, каким образом рассеянная в космическом пространстве теплота становится снова используемой. И действительно, в свете новейших теоретических открытий выяснилось, что вопреки классическим физическим представлениям, но в полном соответствии с философским предвидением Энгельса во Вселенной все же могут реализоваться циклически повторяющиеся процессы рассеяния и последующей концентрации вещества и энергии. Как оказывается, в этих процессах решающую роль играют "черные дыры" (астрономические объекты принципиально нового типа, о возможности образования которых говорили еще английский физик Майкл (1783) и французский ученый Лаплас (1799), но которые только в наши дни облекаются в физическую плоть и кровь), они сначала поглощают излученную звездами энергию и находящееся вблизи вещество, а затем посредством квантового испарения и взрыва (эффект Хокинга) вновь рассеивают их в пространство.
Что касается возможности космологического обобщения идеи круговорота материи, то имеется в виду следующее. Сейчас в связи с возможным открытием массы покоя у нейтрино чаша весов вновь стала склоняться в сторону осциллирующей (пульсирующей) модели. В рамках же данной модели круговорот материи приобрел бы новое измерение: следовало бы поставить вопрос уже не о круговороте составных частей Вселенной, а о
роте самой Вселенной в целом, в ходе которого возникали и исчезали бы не просто отдельные миры (Земля, Солнечная система или Галактика), а вся Вселенная, как она предстает в зеркале современного астрономического познания.
С этой точки зрения можно говорить не о бесконечной продолжительности существования данной конкретной формы Вселенной (расширяющейся системы скоплений галактик), а о бесконечном процессе тотальных качественных превращений космической материи, выражающемся в периодическом - в принципе непрекращающемся - чередовании фаз ее расширения и сжатия.
Здесь мы должны остановиться и задуматься над следующим вопросом: не означает ли описываемый вариант круговорота космической материи своеобразную космологическую реставрацию гегелевской "дурной бесконечности", то есть не сопровождается ли неограниченный цикл расширения - сжатия бесконечным повторением одного и того же?
Думается, нет оснований ожидать такого космологического однообразия. Напротив, как показывают теоретические выкладки принстонских космологов, каждый новый цикл эволюции осциллирующей Вселенной может иметь в качестве начальных условий свой набор элементарных частиц с присущими им особыми физическими свойствами; различные значения могут иметь также фундаментальные константы, входящие в математическую структуру физических законов эволюционирующей Вселенной.
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.
Как оказывается, дело вовсе не в бесконечности или конечности пространственной протяженности Вселенной - второй закон термодинамики одинаково применим к обоим типам физической Вселенной. И хотя непрерывное возрастание энтропии никогда не прекращается, Вселенная никогда не достигнет состояния теплового равновесия, ибо самого предельного, максимального значения энтропии не существует
В чем же дело?
Главное - в физических тонкостях "взаимоотношения" Вселенной и создаваемого ею гравитационного поля. Последнее же, как это выяснилось уже после эпохального научного открытия А. Фридмана (расширения Вселенной), оказалось переменным. Между тем вывод классической науки о том, что любая замкнутая физическая система в ходе своей длительной эволюции неизбежно перейдет в состояние статистического равновесия, относится к системе, находящейся в стационарных (неизменных во времени) внешних условиях. Это во-первых.
Во-вторых, переменное гравитационное поле замкнутой системы с точки зрения теории тяготения Эйнштейна не
может уже рассматриваться составной частью системы (не будь это так, законы сохранения, образующие основу физической статистики, применительно ко Вселенной как целому потеряли бы всякий смысл); оно выступает по отношению ко Вселенной внешним, причем нестационарным условием. Коль скоро это так, Вселенную в целом нельзя считать изолированной (замкнутой) физической системой в принятом значении этого термина.
Вот почему применимость второго закона термодинамики в космологии не означает автоматического наступления во всей Вселенной статистического равновесия: нестационарной (расширяющейся) Вселенной не страшна угроза "тепловой смерти", ибо ей не суждено осуществиться когда-либо! Однако, как свидетельствует опыт одного из героев древнеиранских сказок, выпустить дэва из закупоренного кувшина гораздо легче, чем вновь загнать его туда...
И действительно, на светлом фоне последних теоретических достижений космологии опять видна тень идеи физической смерти Вселенной (правда, теперь уже не "тепловой", а "холодной"), идеи, казалось бы, давно похороненной на кладбище честолюбивых амбиций религиозно ориентированного человеческого сознания.
Относительно будущей судьбы наблюдаемой Вселенной фридмановская теория предлагает два сценария, выбор одного из которых зависит от среднего значения определенного, измеримого космологического параметра величины средней плотности космической материи в настоящую эпоху: последующее неограниченное во времени расширение или же сжатие после достижения максимального радиуса расширения с последующим возможным повторением всего эволюционного цикла (расширение - сжатие).
Так вот, говоря о тени идеи физической смерти Вселенной в новейшей космологии, мы имеем в виду те схемы
развития Вселенной, которые предсказывают неограниченное во времени расширение Метагалактики.
Долгое время эти космологические модели оставались математическими схемами, лишенными физической плоти и крови. Недавно их физической конкретизацией занялись известные теоретики (Ф. Дайсон, К. Ислам, С. Вайнберг, И. Шкловский и другие). Как оказалось, в весьма отдаленном будущем Вселенную ожидает "мучительнейший конец". Так, согласно выводам группы американских исследователей (Д. Айкус, Дж. Литоу, Д. Теплиц, В. Теплиц), рассчитавших развитие космической материи на период до 10'°° лет, эволюция пространственнооткрытой Вселенной должна пройти шесть этапов.
Спустя 10'^ лет (после начала ныне продолжающегося расширения) все звезды израсходуют свое ядерное горючее и погаснут (первый этап). Когда возраст Вселенной достигнет 10'^ лет, мертвые звезды останутся без своих планет (второй этап). Затем начнется "испарение" звезд из галактик; оставшееся же в галактиках вещество начнет сжиматься, а в конечном итоге образует сверхмассивные "черные дыры" (третий этап). В течение последующих лет распадутся все протоны, что, в свою очередь, приведет к нагреву холодных звезд, покинувших свои галактики (четвертый этап). Когда возраст Вселенной достигнет 10^ лет, распадется почти 40 процентов всего вещества (пятый этап). К 10^ годам во Вселенной останутся лишь разреженный электрон-позитронный газ, нейтрино и фотоны, а также сверхмассивные "черные дыры". Когда же возраст Вселенной достигнет 10'°° лет, то в процессы необратимого разложения будут вовлечены и сами дыры.
Не излагая другие теоретические выкладки, касающиеся физических деталей эволюции Вселенной по
щей ветви развития, ограничимся двумя замечаниями общего характера.
Во-первых, на достигнутом ныне уровне знания вопрос о направлении и характере эволюции Вселенной в отдаленном будущем в принципе остается открытым: современная космология еще не может утверждать с полной уверенностью, чем кончится ныне наблюдаемое расширение. Пространственно-открытая же модель, в рамках которой предсказывается физическая судьба наблюдаемой Вселенной,- лишь один из возможных вариантов развития космической материи, согласно одной из многочисленных общерелятивистских моделей, совершенно равноправных в теоретическом и логическом планах. Хотя многие современные космологи высказываются именно за этот вариант, однако есть не менее веские аргументы в пользу пространственно-замкнутой осциллирующей модели. Так, ряд ведущих астрофизиков полагают, что во Вселенной, кроме видимого вещества, может существовать и много невидимой материи, учет которой заметно изменит общую оценку средней плотности космологического субстрата.
В самое последнее время в связи с предполагаемым открытием массы покоя у нейтрино значительно укрепилось Эмпирическое основание этой точки зрения. Возможно, именно реликтохые нейтрино вносят основной вклад в среднюю плотность космической материи; она с учетом этого вклада оказывается больше ее критического значения, обеспечивающего конец расширения. (При этом автоматически разрешается и проблема "скрытой массы" галактик и их скоплений.) Это значит, что нейтринная Вселенная пространственно замкнута и со временем ее нынешнее расширение сменится сжатием.
Во-вторых, новейшие астрономические и физические представления вовсе не отменяют классические философские идеи и концепции, касающиеся общих закономерностей
вания Вселенной как целого. Напротив, самой логикой развития релятивистской астрофизики они обобщаются и возводятся в новую космологическую ступень. В особенности речь идет об идее космического круговорота, обоснованной Ф. Энгельсом на материале классической астрономии. Ф. Энгельс, напомним, заключил, что, в сущности, проблема только еще поставлена, но отнюдь не решена. Она будет решена лишь тогда, когда будет физически показано, каким образом рассеянная в космическом пространстве теплота становится снова используемой. И действительно, в свете новейших теоретических открытий выяснилось, что вопреки классическим физическим представлениям, но в полном соответствии с философским предвидением Энгельса во Вселенной все же могут реализоваться циклически повторяющиеся процессы рассеяния и последующей концентрации вещества и энергии. Как оказывается, в этих процессах решающую роль играют "черные дыры" (астрономические объекты принципиально нового типа, о возможности образования которых говорили еще английский физик Майкл (1783) и французский ученый Лаплас (1799), но которые только в наши дни облекаются в физическую плоть и кровь), они сначала поглощают излученную звездами энергию и находящееся вблизи вещество, а затем посредством квантового испарения и взрыва (эффект Хокинга) вновь рассеивают их в пространство.
Что касается возможности космологического обобщения идеи круговорота материи, то имеется в виду следующее. Сейчас в связи с возможным открытием массы покоя у нейтрино чаша весов вновь стала склоняться в сторону осциллирующей (пульсирующей) модели. В рамках же данной модели круговорот материи приобрел бы новое измерение: следовало бы поставить вопрос уже не о круговороте составных частей Вселенной, а о
роте самой Вселенной в целом, в ходе которого возникали и исчезали бы не просто отдельные миры (Земля, Солнечная система или Галактика), а вся Вселенная, как она предстает в зеркале современного астрономического познания.
С этой точки зрения можно говорить не о бесконечной продолжительности существования данной конкретной формы Вселенной (расширяющейся системы скоплений галактик), а о бесконечном процессе тотальных качественных превращений космической материи, выражающемся в периодическом - в принципе непрекращающемся - чередовании фаз ее расширения и сжатия.
Здесь мы должны остановиться и задуматься над следующим вопросом: не означает ли описываемый вариант круговорота космической материи своеобразную космологическую реставрацию гегелевской "дурной бесконечности", то есть не сопровождается ли неограниченный цикл расширения - сжатия бесконечным повторением одного и того же?
Думается, нет оснований ожидать такого космологического однообразия. Напротив, как показывают теоретические выкладки принстонских космологов, каждый новый цикл эволюции осциллирующей Вселенной может иметь в качестве начальных условий свой набор элементарных частиц с присущими им особыми физическими свойствами; различные значения могут иметь также фундаментальные константы, входящие в математическую структуру физических законов эволюционирующей Вселенной.