Философские проблемы космологии
advertisement
.Глава из учебника «Философские естествознания» (М., Высшая школа, 1985) ТЕМА 16 ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ проблемы КОСМОЛОГИИ § 1. Философские основания космологических моделей Космология — это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий. Наблюдательные данные и теоретические достижения в понимании материи космология стремится синтезировать для создания целостной теории наблюдаемой Вселенной, включая обоснованные представления о свойствах всего астрономического мира. Существует понимание космологии как физического учения о всей Вселенной в целом, и в частности о Метагалактике. Но это понимание спорно. Во-первых, оно не учитывает огромного вклада астрономии в учение о Вселенной, о свойствах звезд, галактик, квазаров и других космических объектов. Астрономия поставляет для физики все возрастающий наблюдательный материал, который служит эмпирической базой для разработки новейших физических теорий строения и развития материи в космосе. Поэтому космологию следует рассматривать как астрофизическую теорию. Во-вторых, все конкретные утверждения этой теории относительно структуры, динамики изменения, законов движения, различных состояний вещества в космосе относятся 264 к конечной системе — Метагалактике и основаны на наблюдательных данных внегалактической астрономии. Выводы о свойствах всей Вселенной в целом делаются на основе неограниченной экстраполяции полученных объективных знаний о мире, в том числе и физических законов. Суждения о свойствах всей Вселенной являются необходимой составной частью космологии. Как и всякая фундаментальная наука, космология включает в себя систему философских оснований: мировоззренческих и методологических принципов о свойствах и законах окружающего мира и методах его познания, способах объяснения эмпирических фактов. Эти основания исторически складывались под влиянием различных философских концепций, между которыми шла и продолжается ожесточенная борьба в понимании мира. Все религиозно-идеалистические и метафизические концепции последовательно опровергались развитием науки, но их влияние в капиталистических странах все еще не преодолено до сих пор. В космологии, может быть, больше, чем в любой другой естественной науке, исходные философские концепции в понимании мира определяют содержание физических моделей Вселенной. В каждой модели исходная философская идея обосновывается при помощи астрофизических данных и их соответствующего истолкования; в свою очередь она задает концептуальное содержание модели. Но приверженцы определенных моделей стремятся зачастую, наоборот, представить философскую концепцию как следствие наблюдательных данных и физических теорий. Ложные философские концепции (религиозно-идеалистического содержания) ведут и к ложным креационистским моделям Вселенной, в которых допускается сотворение мира богом в виде первичного гигантского «атома-отца» и взрыва его божественной волей, в результате чего возникла расширяющаяся Вселенная. Метафизический характер имеют и постулаты об однородности Вселенной, единообразии ее свойств и законов во всех мыслимых масштабах, о развитии как неограниченной последовательности круговоротов (модель пульсирующей Вселенной), о неизбежности тепловой смерти Вселенной. Если же космология основывается на диалектикоматериалистических принципах понимания мира и эти принципы воплощаются в физические модели Метагалактики и еще больших космических систем Вселенной, 265 то степень правдоподобности космологических моделей будет несравненно выше. Диалектико-материалистическая философия дает также правильную ориентацию в методологии истолкования наблюдательных данных внегалактической астрономии, в определении границ экстраполяции физических теорий. Но правильные философские основания сами по себе еще не являются гарантией конкретного решения космологических проблем. Учет диалектикоматериалистических принципов в философских основаниях космологии является совершенно необходимым, но все же недостаточным условием для создания научной теории Метагалактики и всей Вселенной. Для этого необходимо также всестороннее развитие астрофизических исследований, учет специальной и общей теории относительности, разработка единой теории элементарных частиц и полей, ядерной физики, релятивистской термодинамики, физики сверхплотных состояний вещества и взаимодействия частиц при огромных энергиях, а также многих других астрофизических дисциплин. Создание научной космологии — это комплексная задача, связанная с последовательным развитием и интеграцией многих астрофизических теорий. При этом сама космология неизбежно будет незамкнутой, постоянно развивающейся системой научных знаний о Вселенной. Это следует особо подчеркнуть, ибо в прошлом не раз выдвигались модели Вселенной, основанные на некоторых решениях уравнений тяготения общей теории относительности и ряде дополнительных постулатов, и эти модели считались рядом авторов достаточными для характеристики всей Вселенной. Последняя представлялась то статичной, то расширяющейся в неограниченный вакуум, то пульсирующей с последовательной сменой циклов расширения и сжатия и т.д. Между тем уравнения тяготения общей теории относительности позволяют в принципе вывести из них сколь угодно большое количество моделей, но все они будут идеализациями, отнюдь не тождественными реальной, неизмеримо более сложной Вселенной. Для ее познания недостаточно одной только общей теории относительности,— необходимы раскрытие природы гравитации, разработка единой теории материи, синтез космологии и физики микромира, а также многих других дисциплин. После этих предварительных замечаний о предмете космологии и сложности ее объекта исследования перейдем к краткой характеристике важнейших дости- ж ений современной наук и в познании струк туры и развития материи в гигантских космических масштабах. В классической космологии, основывавшейся на механике Ньютона, идеях Канта, Ламберта, Шарлье, а также наблюдательных данных внегалактической астрономии, принималась модель иерархической структуры Вселенной в виде бесконечной последовательности систем все возрастающих масштабов. Эта модель позволяла устранить так называемые фотометрический и гравитационный парадоксы. Но она сама была плохо обоснована и не учитывала того факта, что с возрастанием размеров систем и увеличением расстояний между ними гравитационные силы, уменьшающиеся пропорционально квадрату расстояния, оказываются, начиная с некоторых масштабов, уже недостаточными для удержания галактик и их скоплений в еще больших системах. Последние, если бы они существовали, со временем неизбежно распадутся на элементы или же просто не смогут образоваться. Поэтому было принято предположение, что Метагалактика является одной из самых больших космических систем, в которые концентрируются галактики, а в еще больших масштабах сами Метагалактики распределены в пространстве более или менее однородно и равномерно на сколь угодно больших расстояниях. Фотометрический и гравитационный парадоксы в этой модели устранялись допущением межгалактической материи, которая поглощала свет и тяготение с преобразованием их в другие формы материи. Созданная А. Эйнштейном общая теория относительности (ОТО) позволила по-новому подойти к разработке моделей крупномасштабной структуры и эволюции Вселенной. ОТО связывает тяготение с кривизной пространства-времени, рассматривая их как две неотделимые друг от друга стороны физической реальности. Тяготеющие массы через гравитационное поле вызывают «искривление» пространства-времени, а последнее, в свою очередь, влияет на движение тел, которое происходит по геодезическим линиям. Уравнения тяготения Эйнштейна связывают кривизну пространства -времени с плотностью массы, ее импульсом, потоком массы и потоком импульса. На основе этих уравнений Эйнштейн разработал так называемую «статическую» модель Вселенной. В основе данной модели было философское предположение об однородности распределения галак- 266 267 тик в пространстве Вселенной и стационарности Вселенной во времени. Так как гравитационные силы действуют всюду в виде притяжения и должны вызвать со временем концентрацию рассеянного вещества в единую плотную массу, то для уравновешивания притяжения и обеспечения стационарности Вселенной Эйнштейн ввел в уравнения тяготения так называемый лямбда член, эквивалентный постулированию космических сил отталкивания неизвестной природы, возрастающих с расстоянием между телами и уравновешивающих силы тяготения. Но и таким путем не удалось достичь картины полной статичности во Вселенной. Изменения плотности распределения вещества в достаточно больших масштабах в результате движения галактик вызывали нарушение статичности, завершавшееся то концентрацией вещества, то его разлетом. Советский математик А. А. Фридман в 1922 г. сумел найти иное решение уравнений ОТО, отказавшись от предположения о статичности Вселенной, но приняв допущение об однородности и изотропности распределения вещества. Из решения А. А. Фридмана уравнений тяготения следовало, что Вселенная нестационарна и ее пространство обладает переменной во времени кривизной, одинаковой во всех малых масштабах. При этом А. А. Фридман допускал три возможных следствия из . предложенных им решений: Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени; Вселенная сжимается; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения. В 1926 г. американский астроном Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик красное смещение спектральных линий, что было истолковано как следствие эффекта Допплера и свидетельство взаимного удаления друг от друга галактик со скоростью, которая возрастает с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения (константа Хаббла) составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод А. А. Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Дополнительным сильным аргументом в ее пользу явилось открытие в 1965 г. равновесного реликтового радиоизлучения, которому по закону Планка соответствует температура 2,7 /С. Оно рассматривается как отдаленное следствие первичного грандиозного взрыва, породившего наблюдаемую Вселенную. 268 Более 20 млрд. лет назад все вещество Вселенной находилось в состоянии сингулярности — в точечном объеме с бесконечной плотностью. Как оно там оказалось, модель не объясняет, но предполагается, что в результате гравитационного коллапса всей материи произошло разрушение всех атомных ядер, элементарных частиц и других возможных микрообъектов и сжатие материи в точку с бесконечной массой и плотностью. Правда, не все физики разделяют такое мнение. Так, акад. В. Л. Гинзбург считает, что уравнения ОТО применимы лишь до масштабов порядка гравитационной длины 10 33 см, а в этих микромасштабах необходимо учитывать возможные квантовые флуктуации, в результате которых будет происходить бурное рождение пар различных частиц и античастиц. Необходима разработка квантовой теории гравитации, которая будет более точно описывать тяготения, чем ОТО. Поэтому экстраполяция решений уравнений тяготения ОТО до сингулярности теоретически неправомерна, никакой сингулярности в прошлом не было и п л о т н о с т ь н е м о ж е т в о з р а с т а т ь б о ле е ч е м д о 1094 г/см 3 1 . По эта плотность тоже достаточно велика, и если бы все вещество наблюдаемой Вселенной, оцениваемое ориентировочно в 1085 нуклонов или примерно 1061 г, сжать до такой плотности, то оно заняло бы объем около 10-33 см3, т. е. примерно в 1000 раз больше объема ядра атома урана. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп. Но поскольку квантовая теория гравитации еще не создана, то многие космологи принимают гипотезу расширяющейся Вселенной от сингулярности в результате «Большого взрыва». Причины возникновения сингулярности, характер пребывания материи в этом состоянии, а также причины большого взрыва и перехода к расширению во всех моделях «горячей Вселенной» считаются неясными и выходящими за рамки компетенции любой современной физической теории. Но если такой взрыв был, то дальше картина выглядит следующим образом 2 . Через 10-43 с от начала расширения от сингулярности (планковский момент) началось рождение частиц и античастиц, затем через 10-6 с — возникновение протонов и антипротонов и их аннигиляция. Количество протонов на 1 2 Гинзбург В. Л. О физике и астрофизике. М., 1980, с. 68, 99. См.: Силк Дж. Большой взрыв. М., 1982, с. 75—76, 79—217 и др. 269 одну стомиллионную часть (10 -8) превышало количество антипротонов, в результате чего после аннигиляции сохранилось то вещество, из которого возникли все галактики, звезды и планеты. При равенстве числа про тонов и антипротонов вещество полностью перешло бы в излучение и невозможно было бы возникновение всего наблюдаемого космоса и Земли. Через 1 с после начала расширения стали рождаться и аннигилировать электронно-позитронные пары, через 1 мин начался ядерный синтез и образование ядер дейтерия и гелия. На долю последних пришлось примерно 30% от массы оставшихся протонов, что теория согласовывает с наблюдаемой концентрацией гелия в космосе. Образова ние более тяжелых элементов в рамках данной теории не удается объяснить, так как для их синтеза не хватает времени в процессе расширения. Эти элементы образуются в последующей эволюции звезд в результате термоядерных реакций в их недрах, а тяжелые элементы синтезируются при взрывах сверхновых и затем выбрасываются в межзвездное пространство, где они со вре менем концентрируются в газо-пылевые облака, из которых образуются звезды второго поколения типа Солнца и планеты вокруг них. Через 300 000 лет после «большого взрыва» произошло отделение излучения от вещества, Вселенная стала прозрачной, а в последующие миллиарды лет начали формироваться галактики, пер вичные звезды в шаровых скоплениях и звезды второго поколения в спиральных рукавах галактик. Земля воз никла 4,6 млрд. лет назад, а жизнь на ней — около 3 млрд. лет назад. В самые начальные моменты расширения, когда температура в «горячей» Вселенной достигала 10 31 градусов, а давление было невообразимо большим, возникали первичные черные дыры с самыми различными размерами — от 10 -15 см до нескольких километров, но с массами от тысяч тонн до масс крупных звезд 3. Черные дыры с очень малыми размерами затем распались, а крупные могут существовать до сих пор и быть ядрами галактик или квазаров. Реликтовое радиоизлучение, приходящее на Землю изотропно со всех направлений, рассматривается как последствие отделения излучения от вещества через несколько сот тысяч лет после взрыва. 3 См.: Силк Дж. Большой взрыв, с. 119—125; Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. М., 1981, с. 136—336. 270 Дальнейшая картина эволюции Вселенной рисуется неоднозначно в различных космологических моделях. Если средняя критическая плотность вещества во Вселенной меньше 6-10-30 г/см3, то расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно 4. Если же она больше этого значения, то расширение сменится сжатием, затем гравитационным коллапсом и переходом в сингулярность. Теоретически допустимы и пульсации с возрастанием радиуса Вселенной, в результате перехода вещества в излучение, роста энтропии системы, пока радиус после множества циклов пульсаций не устремится к неограниченному расширению5. Вычисляемое на основе современных данных значение средней плотности всего распределенного равномерно вещества во Вселенной составляет примерно 5-10-31 г/см36, что лишь в 9 раз меньше критического значения. Но эта величина ненадежна, ибо неясна масса скрытого вещества и излуче ния (черных дыр, угасших звезд, нейтрино и др.). Кроме того, систематически происходит переоценка наблюдательных данных, постоянной Хаббла, расстояний до отдаленных галактик, и сняли с чем меняются значения средней плотности вещества. Поэтому возникают колебания в пользу то открытой, то закрытой модели Вселенной. В моделях Фридмана — Леметра допускалось как гиперболическое открытое и бесконечное пространство Вселенной, так и сферическое и замкнутое пространство, которое конечно, но безгранично и имеет переменный радиус кривизны. Но все эти модели представляют собой идеализации, основанные на определенных постулатах. По мнению Р. Толмена, «следует считать, что выделенное сингулярное состояние с малым объемом, откуда в некоторых моделях начинается расширение, скорее является свойством, обусловленным однородностью моделей, нежели присуще самой реальной Вселенной. Более того, так как мы ничего не знаем о поведении Вселенной за пределами нашего ближайшего окружения с радиусом 10 8 световых лет, то, очевидно, никакая модель не поможет определить момент времени, когда началось расширение реальной Вселенной, достаточно точно. 4 Маленькая энциклопедия, ст. «Физика космоса». М., 1976, с. 123; см. также ст. «Космология», с. 116—134. 5 См.: Толмен Р. Относительность, термодинамика и космоло гия. М., 1974, с. 335, 457. 6 Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Релятивистская астрофизика М.. 1967, с. 400. 271 Мы можем только грубо оценить, что длительность расширения ближайшей к нам области может быть порядка 109—1010 лет»7. «...Приписывать материи всюду ту же самую плотность и ту же стадию эволюции, что и в нашем собственном окружении, и исключать для всех времен и всех мест всякую возможность движения в направлении сжатия, которое механически так же просто, как и расширение,— значит считать наше окружение на современном этапе не только хорошим образцом, но и, что совершенно не оправдано, точной копией Вселенной в целом»8. Толмен считает, что в реальных коллапсирующих системах Вселенной происходит «отскок», сжатие до определенных пределов с последующим расширением и никакой сингулярности не возникает. Он говорит, что «в космологии нужно быть очень внимательным, чтобы не пойти по пути авантюристического образа мышления и не позволить себе удовольствия приписывать природе желаемое вместо действительного» 9. Постулат полной однородности и изотропности Вселенной, принимаемый в различных космологических моделях, основан на отождествлении единства мира с единообразованием его структуры, что противоречит всеобщему закону перехода количественных изменений в качественные, а также принципу неисчерпаемости материального мира. Точно так же никакие конкретные уравнения движения, включая уравнения тяготения, нельзя неограниченно экстраполировать, выводя из них сжатие материи в точку, бесконечно большие значения плотности, массы и других свойств. Задолго до этого они утрачивают свою применимость и сменяются другими уравнениями, более точно отражающими законы природы. Вполне возможно, что отмеченное выше значение верхнего предела плотности 10 94 г/см3 тоже чрезвычайно завышено и после создания квантовой теории гравитации, раскрытия природы тяготения, объединения физики мегамира и физики микромира, создания единой теории известных форм материи и его развития в космосе это значение будет подвергнуто корректировке прежде всего в сторону значительного уменьшения. На пути от элементарных частиц с размерами 10 -14 см до 7 с 500 Толмен Р. Относительность, термодинамика и космология, Там же, с 502. " Там же 8 272 постулируемой минимальной гравитационной длины 10-33 см лежит неисчерпаемое многообразие новых физических теорий и открытий, которые могут коренным образом изменить наше понимание микромира и Вселенной. Но создание теории развития и строения Вселенной требует гораздо большего объема достоверной информации и последовательной интеграции всех будущих астрофизических теорий. В современной космологии происходит борьба идей не только в системе ее мировоззренческих и методологических оснований, но также и в области истолкования тех сравнительно немногочисленных эмпирических данпых, па которых строятся различные космологические модели. Так, неоднократно предпринимались попытки истолковать красное смещение спектральных линий галактик не как следствие эффекта Допплера (и расширение Вселенной), а как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов e = hv при движении их в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве, в результате взаимодействия с гравитационными полями, фоном нейтрино, не наблюдаемой пока материей. Подобные попытки отвергались на том основании, что они были основаны на допущении некоторого неизвестного еще закона природы и феномена взаимодействия излучения с другими видами материи. Красное смещение истолковывалось как следствие более понятного и хорошо подтвержденного эффекта Допплера. Но принятие такого объяснения ведет к следствиям, которые, если их принять, основываются на совокупности еще более неясных и неизвестных законов природы; причем число их гораздо больше, чем в указанной гипотезе. Прежде всего ниоткуда не следует, что наблюдаемая нами расширяющаяся Метагалактика — это вся Вселенная и никаких других космических систем не существует. Необоснованно утверждение о возможности перехода всей материи в точечную сингулярность с бесконечно большой массой и плотностью, неясно, сколь долго и как она пребывала в этом состоянии, что было до него. Дж. Уилер считает, что в состоянии сингулярности «теряют смысл» все законы физики, в том числе фундаментальные законы сохранения материи и ее свойств, «все законы физики, выраженные в терминах пространства и времени» 10. Но прежде чем 10 Уилер Дж Квант и Вселенная.— В сб.: Астрофизика, кван ты и теория относительности М, 1982, с 543 18 2047 273 принести такую жертву, подрывающую в корне все рациональное и материалистическое понимание мира, следовало бы более критично рассмотреть те неограниченные экстраполяции уравнений тяготения, которые приводят к сингулярности. Это тем более важно, что в релятивистской астрофизике допускается существование не одной, а очень многих относительных сингулярностей в центрах черных дыр, которые, однако, имеют конечную протяженность и массу, взаимодействуют с окружением и даже постепенно «испаряются» в результате «просачивания» частиц во внешнее пространство через потенциальный барьер11. В модели большого взрыва всей материи неясны также причины взрыва, выделяющаяся при этом энергия не может быть объяснена никакими законами физики. Сейчас обнаружены чрезвычайно отдаленные галактики, красному смещению которых соответствует, по эффекту Допплера, скорость взаимного удаления в 150 000 км/с, и, видимо, далее эта скорость возрастает еще больше, приближаясь к скорости света, пока галактики не исчезают за горизонтом принципиальной наблюдаемости. Такая чудовищная кинетическая энергия, сопоставимая с энергией массы покоя галактик, не может быть выведена ни из каких физических законов. Возникают противоречия и в объяснении самого феномена расширения. Если расширение является действительным физическим процессом, то оно происходит за счет «вторжения» расширяющейся Вселенной либо в вакуум типа псевдоэвклидового пространства, либо в пространство других космических систем Вселенной. Существование абсолютного вакуума нельзя допустить, ибо пространство является атрибутом материи и вне ее не существует. Остается признать расширение во внутреннее пространство других материальных систем, которые сами могут как сжиматься, так и расширяться, развиваясь по собственным законам. Но тогда современная космологическая теория будет охватывать лишь Метагалактику. На всю Вселенную можно экстраполировать лишь диалектико-материалистические принципы в системе ее оснований, а также некоторые общие физические законы типа фундаментальных законов сохранения, принципов симметрии, вариационного принципа. 11 См.: Силк Дж. Большой взрыв, с. 133—145; Кауфман У, Космические рубежи теории относительности, с. 136—336, 274 Можно, правда, встать на другую точку зрения и допустить, что расширение Вселенной действительно происходит, но никакого внешнего объемлющего пространства и других космических систем не существует; просто само пространство как бы создается в процессе расширения Вселенной, в том смысле, что с течением времени увеличивается расстояние между любыми точками и изменяется геометрия пространства. Подобный вывод вытекал из разработанного А. А. Фридманом решения уравнений тяготения и неоднократно воспроизводился затем в литературе. Однако такая точка зре ния заключает в себе внутренние противоречия. Пространство является всеобщим атрибутом материи, выра жает протяженность и структурность всех существующих материальных систем. Если бы было расширение пространства самого по себе, которое наделялось бы благодаря этому признаком субстанциональности, то с течением времени происходило бы увеличение размеров всех материальных систем: элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик и др.; причем и той же пропорции, как увеличение расстояний между галактиками. Между тем ничего подобного в мире не происходит, размеры конкретных материальных систем (от галактик до элементарных частиц) не увеличива ются по закону Хаббла. Отсюда следует, что никакого расширения пространства не происходит, имеется рас ширение только в масштабах Метагалактики, а оно возможно лишь во внешнее пространство других материальных систем. Но это, однако, не исключает поиска альтернативных теоретических объяснений причин красного смещения, отличных от модели большого взрыва и расширяющейся Вселенной. Первые данные в пользу этого имеются уже в современной астрофизике в связи с изучением квазаров. Спектральные линии квазаров имеют аномально высокое красное смещение, оцениваемое условной величиной больше 2,5 и даже 2,8. Это значит, что если бы такое красное смещение было обусловлено эффектом Допплера, то скорость удаления квазаров в 2,5—2,8 раза превышала скорость света, что невозможно. Отсюда следует, что большая часть крас ного смещения квазаров обусловлена их чрезвычайно мощным полем тяготения, т. е. является гравитацион ным, и намного меньшая часть обусловлена эффектом Допплера. Если в других далеких галактиках имеются подобные объекты, то их гравитационное красное смещение будет существенно влиять на общее красное 275 смещение, вследствие чего картина динамики галактик и расстояний до них окажется иной по сравнению с чисто кинематической трактовкой красного смещения. В литературе по космологии высказывалось мнение, что различные космологические модели Вселенной, выдвинутые на основе решения уравнений тяготения ОТО, могут характеризовать не только одну нашу Вселенную, но разные состояния Вселенной в разные периоды ее существования в прошлом и будущем, аналогично потенциально возможным мирам в концепции Лейбница. Все, что не запрещено законами природы, где-либо и когда-нибудь может быть реализовано. В принципе такая возможность не исключена, если это действительные законы объективного мира. Но следует различать объективные законы природы и теоретические выражения этих законов в пауке. Последние всегда являются приближением к первым, а некоторые из моделей Вселенной, основанные на идеализациях и не вполне доказанных постулатах, могут даже противоречить объективным законам природы, как известным в настоящее время, так и тем, которые будут сформулированы в теории в результате будущих уточнений известных законов. Поэтому далеко не всякая теоретическая модель может иметь объективный аналог в природе. Некоторые из моделей показывают лишь разные теоретические подходы в идеализациях. Все сказанное позволяет еще раз подчеркнуть чрезвычайную сложность разработки теории крупномасштабной структуры и эволюции Вселенной. Как правильно заметил Вокулер, «создание такой теории нельзя свести к почти тривиальной задаче — определению нескольких эмпирических констант, которое, как полагают некоторые, займет всего несколько лет»12. С точки зрения диалектического материализма, сложность материального мира всегда превосходила и будет превосходить степень сложности любых будущих теоретических представлений о нем, в том числе и космологических теорий. § 2. Бесконечность материального мира Бесконечное в мире проявляется в следующих аспектах: 1) в структуре материи, в существовании беско12 Цит. по: Турецкое А. Основания физической космологии. — Философия и основания естественных наук / Сб обзоров ИНИОН. М., 1981, с. 80. 276 нечного многообразия типов материальных систем и соответствующих им структурных уровней; 2) в пространственных свойствах и отношениях этих материальных систем; 3) во времени их изменения и развития, в количественной и качественной неуничтожимое™ развития; 4) в бесконечном многообразии свойств, связей и взаимодействий материи. В теоретическом познании бесконечное выступает в результате безмерного увеличения определенных свойств или множеств объектов, неограниченной экстраполяции законов. В математике бесконечными множествами являются такие, в которых существует собственная часть — подмножество, равномощное или эквивалентное целому множеству, т. е. между каждым элементом целого множества и подмножества существует взаимнооднозначное соответствие. Но у бесконечных множеств не существует верхнего последнего элемента,— они являются открытыми в сторону неограниченного возрастания и в этом смысле выступают как единство актуальной (реализованной) и потенциальной бесконечности. Соответственно бесконечно большая (или бесконечно малая) величина определяется не как некоторая завершенная или фиксированная величина, а как переменная, способная в процессе изменения стать и становящаяся больше (или меньше) любой, наперед заданной, конечной величины. Математика изучает количественные аспекты бесконечного в идеализированных формах и сама не решает, к чему в материальном мире следует применять понятие бесконечного. Это решается на основе теорий других наук, прежде всего философии, астрономии и физики. Но в естественных науках проблема бесконечности мира всегда была и остается философской, входящей в систему их философских оснований. Вместе с тем эта проблема является общетеоретической для науки, она не решается на основе практики и экспериментов, ибо практика ограничена по своему содержанию, а в любых экспериментах выступают конечные по своим параметрам объекты и процессы. Но устраниться от обсуждения и определенного решения проблемы бесконечного наука не может, ибо образующийся информационный вакуум сразу же стремятся заполнить религия и идеализм, предлагая свое решение в духе понимания бесконечного как атрибута бога, абсолютного духа и т. п. Иногда высказывают мнение, что признание бесконечности мира либо конечности его не вытекает ни из 277 каких более общих теоретических законов и имеет аксиоматически-постулативный характер 13. Это не совсем так, а по отношению ко времени это вообще неверно. В релятивистской космологии с уравнениями тяготения в принципе совместимы как замкнутые модели с конечным, но неограниченным пространством, так и открытые модели Вселенной с неограниченным и бесконечн ы м п р о с т р а н с т в о м . Н о в с е м о д е л и с ко н е ч н ы м и замкнутым временем оказываются внутренне противоречивыми. Замкнутое время можно было бы допустить в модели осциллирующей Вселенной с бесконечным повторением циклов сжатия и расширения. Время здесь как бы идет по кругу, все события полностью повторяются и однозначно предетерминированы в предшествующих состояниях Вселенной. Близкое будущее является одновременно и далеким прошлым с интервалами в сотни миллиарды лет между циклами сжатия и расширения. Но и в такой модели, основанной на крайних идеализациях и метафизическом понимании природы, есть свои внутренние противоречия. Ввиду превращения вещества в излучение и роста общей энтропии системы радиус каждого последующего ее расширения будет возрастать, стремясь к бесконечности, в силу чего замкнутое время принципиально невозможно. Оно исключается также и объективными законами развития материи. В релятивистской космологии были выдвинуты Крускалом и Секерешем идеализированные модели и соответствующие им диаграммы, в которых сжатию Вселенной до сингулярности соответствует отрицательное время от минус бесконечности до нуля, а расширению от сингулярности — положительное время от нуля до плюс бесконечности. Но допущение отрицательного времени, идущего от минус бесконечности до нуля, не имеет никакого физического смысла, ибо это означало бы «развитие наоборот», обращение вспять всех событий и причинно-следственных отношений, что противоречит законам развития, причинности и возрастания энтропии. Точно так же не имеет смысла «нулевое время», приписываемое сингулярности. Как было отмечено выше, само допущение сингулярности и сжатия всей материи в безразмерную точку с бесконечной массой и плотностью представляет результат крайней идеа13 См.: Кауфман У. ности, с. 155—223. 278 Космические рубежи теории относитель- лизации и неправомерной экстраполяции уравнений тяготения ОТО. В реальных сверхплотных объектах Вселенной, отождествляемых с черными дырами, время не является нулевым и не останавливается. Материя существует, находится в движении, взаимодействует с окружением через гравитационные поля, и эти гравитационные взаимодействия связывают внутреннее время системы с внешним временем. Если бы удалось зарегистрировать гравитационные волны и свойственные им периодические процессы, то можно было бы, по крайней мере теоретически, раскрыть «синхронизацию» и связь этих времен. Бесконечность существования и развития мира во времени вытекает как следствие из абсолютности и субстанциональности материи, ее несотворимости и неуничтожимости, всеобщих законов сохранения материи и ее важнейших свойств. При любых превращениях материя не возникает из ничего и не уничтожается, а лишь переходит из одних состояний в другие. Ее существование вечно, и эта вечность выступает как бесконечность времени. Последняя представляет собой единство актуальной (реализованной) и потенциальной бесконечности. В прошлом бытие материи было также бесконечным, но не со знаком минус, а при обычном необратимом течение времени от прошлого к будущему, которое определяется асимметрией причинных связей и процессов развития. Не было никакого нулевого пункта времени в силу абсолютности и несотворимости материи и движения. Не будет и никакого завершения времени в будущем в силу той же неуничтожимости, сохранения и вечности материи и движения. Количественная бесконечность времени является примером метрической бесконечности в объективном мире. Она означает, что в этой бесконечности существуют временные интервалы бытия материи, которые тоже бесконечны по протяженности. Пусть мы имеем множество М, которое бесконечно. Но бесконечным будет и множество М п , М п и т. д., где п — любая сколь угодно большая величина. Бесконечные множества открыты в сторону возрастания и не имеют верхнего последнего элемента. Вместе с тем бесконечность времени нельзя понимать как неограниченную монотонную длительность бытия материи в одних и тех же состояниях и циклах изменения. Она включает в себя процессы необратимого изменения и развития материи. Каждая конкрет279 ная форма материи является исторически возникшей и преходящей, хотя периоды существования некоторых из них могут быть невообразимо велики. Даже протоны распадаются за период в 1031 лет, за намного большие интервалы времени распадаются ядра различных химических элементов, включая железо, и материя переходит в качественно иные состояния, но время ее бытия не останавливается. Необратимость изменений материи не следует понимать как стремление мира к некоторому конечному состоянию типа термодинамического равновесия или «тепловой смерти» Вселенной, о которой писал Клаузиус и некоторые другие физики, разделявшие эту точку зрения. Как отмечал Ф. Энгельс, движение материи неуничтожимо не только в количественном, но и в качественном отношении, т. с в смысле многообразия его форм. Не может быть такого положения, чтобы все формы движения превратились в одну какую-либо форму, например в теплоту. Всегда материя будет обладать неисчерпаемым многообразием качественно различных форм движения, при всех изменениях ни один из ее атрибутов не может быть ею утрачен. Электромагнитное излучение звезд, так же как излучение нейтрино и других элементарных частиц, не является во Вселенной исключительно односторонним процессом. В конечном счете оно поглощается веществом, улавливается гравитационным полем сверхмассивных объектов, черных дыр, поглощается ими, преобразуется в другие формы материи и включается в новые циклы развития, в каждом из которых возникает нечто новое по сравнению с предшествующими циклами. При этом энтропия во всех космических системах будет возрастать, но она никогда не достигнет максимального значения в силу незамкнутости всех космических систем и качественного многообразия форм движения материи. Невозможны в больших космических масштабах и антиэнтропийные процессы, противоречащие второму закону термодинамики, т. е. такие процессы, в которых тепловая энергия концентрировалась бы в больших областях за счет флуктуации плотности распределения и скоростей частиц. Именно такую флуктуационную гипотезу развития Вселенной выдвинул в свое время Л. Больцман. Стремясь опровергнуть концепцию тепловой смерти Вселенной Клаузиуса, Больцман предположил, что во Вселенной уже наступило состояние с максимальной энтропией, поскольку материя вечна Но это 280 состояние не является абсолютным покоем и неизменностью, в нем происходят локальные перераспределения скоростей движения молекул, возникают временные флуктуации с относительным уменьшением энтропии, восходящим развитием материи. Нам посчастливилось, что мы оказались именно в такой гигантской флуктуации, где стали возможны звезды и жизнь на Земле. Но почти вся остальная Вселенная находится во мраке холода термодинамического равновесия. Такого рода гипотеза, с современной точки зрения, неприемлема. Она рассматривает развитие как чисто случайную флуктуацию и основана на крайних экстраполяциях некоторых положений статистической физики. В системах из Небольшого числа молекул действительно возникают флуктуации плотности, происходит перераспределение энергии с локальным уменьшением энтропии по стохастическим законам. Но при переходе к системам из огромного количества частиц, а тем более к космическим системам подобные теоретически вычисляемые флуктуации с исчезающе малыми значениями вероятности становятся чисто фиктивными. Хотя теоретически можно предполагать, что чайник с водой, поставленный на огонь, не будет нагреваться, а вдруг замерзнет в результате флуктуационного перераспределения энергии молекул, но такая вероятность будет чисто фиктивной. В больших системах из огромного числа частиц вступают в силу качественно иные законы изменения, которые исключают флуктуационные процессы, возможные в системах с небольшим числом частиц. Это — одно из следствий закона перехода количественных изменений в качественные. Не реализуются в природе и космические флуктуации с локальным уменьшением энтропии и перераспределением энергии. Второй закон термодинамики не нарушается, энтропия всюду растет, но она не достигает максимального значения в силу незамкнутости систем и многообразия форм движения. Энергия в звездах и других объектах космоса возникает не за счет перераспределения скоростей движения частиц, а за счет гравитационного сжатия, преобразования внутренней связанной энергии, соответствующей массе покоя, в энергию излучения и частиц вещества. Это преобразование происходит в ядерных реакциях и процессах аннигиляции. Энергия выделяется также при возможном синтезе кварков в элементарные частицы. Все эти процессы не определяются вторым законом термодинамики, а подчиняются качественно иным законам. 281 Но возникнув, тепловая энергия рассеивается затем в пространстве в соответствии с законом возрастания энтропии, хотя этот рост во Вселенной будет потенциально неограниченным. Бесконечное изменение и развитие материи во времени связано с постоянными ее переходами из одних качественных состояний в другие. В течение всего ее времени бытия и развития неизбежно должно было возникнуть бесконечное многообразие структурных форм материи, ее различных проявлений. Но структурная бесконечность материи заключает в себе, в каче стве важной стороны, пространственную бесконечность, поскольку пространство выражает протяженность и структурность материальных систем. При этом структурная и пространственная бесконечность будет как количественной, так и качественной. В количественном отношении она проявляется в существовании в мире бесконечного множества различных материальных систем с их пространственными и другими свойствами. В качественном отношении она выражается в качественных различиях свойств и законов материи на разн ы х с т р ук т ур н ы х ур о в н я х и с т уп е н я х р а з в и т и я , в многообразии пространственно-временных структур и различных метрических свойств и других конкретных признаков. Структурная бесконечность материи в целом является ее абсолютным свойством. Ее нельзя считать относительным аспектом, который может возникать или исчезать в зависимости от выбранной системы отсчета. Бесконечность вообще не зависит ни от какой системы отсчета, субъект не может ее определять. Но и свой ства любого материального объекта природы недостаточны, чтобы в одних отношениях делать мир бесконечным, а в других — конечным. Это особо следует подчеркнуть в связи с тем, что иногда выдвигаются модели относительной конечности и бесконечности пространства и времени, основанные на односторонних интерпретациях релятивистских эффектов. Так, А. Л. Зельманов рассматривал так называемые пустые модели Вселенной, в которых нет вещества, но имеется система пробных частиц. Их движение рассматривалось в статических системах и сопутствующих системах, причем допускалось, что движение может происходить со скоростью света в вакууме включительно. На основе этого делался вывод, что пространственный объем или время, бесконечные в одной системе, будут конечными в дру- гой. «Причина относительной пространственной конечности и бесконечности состоит в лоренцовом сокращении длин, неограниченно возрастающем при переходе к фундаментальной скорости»14. Относительность конечности и бесконечности предполагается на основе допущения неограниченного замедления времени в гравитационном поле системы, радиус которой уменьшается до шварцшильдовского или гравитационного времени (с точки зрения внешнего наблюдателя). «Таким образом, возраст объекта, если он ограничен в пространстве и расширяется от состояний достаточно большой плотности, может быть конечен в одной системе отсчета и бесконечен в другой. То же справедливо и для продолжительности существования этого объекта, если его расширение сменяется описанным выше сжатием». «...Причина состоит в замедлении течения времени в гравитационном поле: в статической системе скорость течения времени неограниченно падает по мере приближения к сфере критического радиуса и длительность процессов по сравнению с их длительностью в сопутствующей системе неограниченно возрастает»15. Подобные выводы интересны, но являются результатом предельных идеализации. Прежде всего, в формуле для сокращения длины нельзя использовать скорость частиц с конечной массой равную скорости света, ибо в этом случае масса частиц становится бесконечной и для их ускорения требуются бесконечно большие силы, которым неоткуда взяться. Если же рассматривать пространственные области, заполненные массами частиц и других тел, то в бесконечном пространстве будет бесконечное множество тел различных масс и эту бесконечность нельзя упразднить выбором любой возможной системы отсчета даже связав ее с фотоном. Иначе бы нарушались фундаментальные законы сохранения материи и ее свойств. Что касается замедления времени в системах, сжатых до гравитационного радиуса, то вряд ли оно будет бесконечным (с точки зрения внеш14 Зельманов А. Л. К постановке вопроса о бесконечности про странства в общей теории относительности — Доклады Академии наук СССР, т. 124, 1959, № 5, с. 1032. 15 Зельманов А. Л. Многообразие материального мира и проб лема бесконечности Вселенной.— В кн.: Бесконечность и Вселенная, с. 310. Более подробный анализ аналогичных идеализированных си туаций дается в кн: Кауфман У. Космические рубежи теории отно сительности, с. 136—223. 283 282 него наблюдателя, в статической системе). В реальном мире такие системы взрываются за конечное время их существования и материя в них не сжимается до бесконечной плотности. Кроме того, гравитационные взаимодействия такой системы связывают ее внутреннее время с внешним временем окружения. Время нельзя измерять только по электромагнитным процессам, где наблюдается замедление (гравитационное красное смещение). Нужно учитывать все формы движения, в том числе и гравитационные взаимодействия, которым тоже свойственны временные характеристики. В заключение отметим, что понимание бесконечного в мире исторически постоянно изменяется и совершенствуется. Оно органически связано с познанием всеобщих и абсолютных атрибутов и законов бытия материи. При этом не нужно акцентировать внимание только на бесконечном. Диалектика конечного, постоянно изменяющегося по масштабам в сторону увеличения или уменьшения пространственно-временных масштабов, не менее богата по содержанию, чем диалектика конечного16. Можно представить себе такие конечные пространственно-временные области существования материи, познание которых может осуществляться за все будущее возможное время развития Метагалактики, вплоть до ее очень отдаленного, через сотни миллиардов лет, гравитационного коллапса. И это познание конечного в свойствах и законах бытия материи тоже будет практически неисчерпаемым, определяя незамкнутость и постоянное развитие любой научной теории мира. 16 Более подробное рассмотрение этих вопросов см.: Мелюхин С. Т. Материя в ее единстве, бесконечности и развитии. М., 1966; его же. Бесконечность материального мира. М, 1967. 285