Амбарцумян

О пользе размышления над ошибками великих умов

Чтобы составить правильное представление о космогонической концепции Амбарцумяна, предложенной им в середине XX века, обратимся вкратце к истории важнейшей проблемы — образования и развития небесных тел — и к идее, господствовавшей в середине XX века. Изучение эволюции Вселенной в астрономии всегда главенствовало, и сегодня оно является самой животрепещущей областью познания. С историей космогонии полезно познакомиться, даже если допустить, что многие идеи, гипотезы или теории в прошлом были неточны или просто ошибочны. Стоит вспомнить поучительное высказывание известного французского физика Луи де Бройля[89]: «Всегда полезно поразмыслить над ошибками, сделанными великими умами, поскольку они имели серьёзные основания для того, чтобы их совершить, и, поскольку эти великие умы всегда обладают проникновенной интуицией, возможно, что их утверждения, сегодня рассматриваемые как ошибочные, завтра окажутся истинными».

С давних пор господствовало непоколебимое представление, что галактики и звёзды произошли и происходят из газопылевой материи в процессе её сгущения (конденсации). Рассуждения были просты: никаких других причин, кроме закона всемирного тяготения, во Вселенной нет, и всё, что мы наблюдаем — это в конечном итоге результат действия этого закона. Почти все астрономы мира незыблемо придерживались этой теории сотни лет, расширяя и совершенствуя её.

Однако в пятидесятых годах прошлого столетия В. А. Амбарцумяном было установлено и неопровержимо доказано наличие совершенно противоположного процесса во Вселенной — повсеместного образования звёзд и галактик из сверхплотной материи, которая катастрофически взрывается и распадается. При этом вещество переходит из сверхплотного состояния в менее плотное. Сделать такой вывод ему удалось благодаря доскональному изучению нестационарных процессов во Вселенной.

Однако эта концепция длительное время упорно не принималась многими астрономами, пока бесчисленные наблюдательные данные, в том числе и собственные наблюдения, не убедили их в этом.

Здесь уместно вспомнить остроумное замечание величайшего философа Иммануила Канта: «Любое новое учение пережинает три этапа — сначала его не замечают, затем опровергают и, наконец, "улучшают", приспосабливая к своим интересам».

Именно так отнеслись многие астрономы и к новой концепции Амбарцумяна. До сих пор некоторые сторонники первого, так называемого классического, направления всё ещё упорно пытаются обнаружить во Вселенной процесс конденсации, сгущения и тем самым опровергнуть концепцию Амбарцумяна. Пока им это не удаётся.

Драматическая битва идей продолжается и сегодня. Правда, по кантовскому определению, концепция Амбарцумяна уже прошла сквозь времена «незамечания» и «опровержения» и сейчас вошла в период «улучшения и приспособления» к теориям «чёрных дыр и аккреции вещества»: с поразительной беспринципностью все наиболее мощные активные ядра галактик Амбарцумяна (например, М87 и др.) переименовываются в «чёрные дыры».

История науки изобилует бесчисленными примерами роковых ошибок, которые, удивительно цепко укоренившись в научном мире на сотни и даже тысячи лет, продолжали жить в научных исследованиях весьма выдающихся учёных, пока их не опровергали более проницательные умы. И это вполне естественно. Но, с другой стороны, конечно, существует и множество примеров удивительных предвидений.

Вспомним вкратце ряд поучительных, хорошо известных ошибок, а затем перейдём к основному предмету нашего повествования.

Основоположник научного естествознания Аристотель[90], наряду с рядом поразительных открытий, допустил страшную ошибку в задаче свободного падения тел, утверждая, что из одновременно брошенных тел различного веса первым достигнет земли самое тяжёлое.

Эта точка зрения, никого не смущая, просуществовала две тысячи лет, пока ошибка не была исправлена Галилео Галилеем, доказавшим независимость времени свободного падения тел в безвоздушном пространстве от их массы. Со стороны Галилея были проявлены не только мудрость исследователя, но и мужество, дерзнувшее на исправление общепринятого учения самого Аристотеля.

Любопытно, что и много лет спустя даже крупнейший французский математик и физик Рене Декарт[91] проявил полное непонимание открытого Галилеем закона свободного падения тел.

Вторым примером может послужить хорошо известная и уже рассмотренная нами геоцентрическая система мироздания Птолемея, гениальнейшего астронома и величайшего математика. Однако должно было пройти свыше 1700 лет, пока другой гений — Николай Коперник не «заставил» Землю и другие планеты двигаться вокруг Солнца.

Было бы несправедливо не вспомнить здесь приверженца пифагорейской школы — Аристарха Самосского[92], который жил примерно в одно время с Птолемеем. Он выступил против Птолемея, настаивая на гелиоцентрической системе. Конечно, в то время подумать, что центром мира является какое-то Солнце, а не Земля, на которой живёт сам Человек — «центр мироздания» — было большой дерзостью и, естественно, за это Аристарха Самосского жестоко преследовали.

Вообще, в науке гораздо важнее не столько провозглашать истину, сколько предъявлять убедительные и неоспоримые доказательства правоты.

Известно, например, что Роберт Гук[93] раньше Ньютона предложил знаменитую формулу всемирного тяготения. Но доказательство её справедливости, хотя бы в пределах Солнечной системы, принадлежит Ньютону, а следовательно, и авторство.

При желании, конечно, можно найти многочисленные примеры плодотворности высказывания добротной, опережающей своё время мысли…

Рассматривая начало истории такой грандиозной проблемы, как происхождение и развитие Вселенной, проблемы, которая прежде называлась проблемой Мироздания, а теперь нашла своё место в астрономии и присутствует в двух её разделах — космологии и космогонии, мы опять окажемся среди мыслителей древности, которые не могли лишить себя удовольствия задать себе вопрос: когда и как возник наш мир, и какие изменения происходят в нём сейчас?

Одни из наших предков считали, что Мир существовал всегда и будет существовать вечно, другие — что он сотворён в какой-то определённый момент времени, и пытались даже определить, сколько времени прошло с момента его сотворения.

Об этом спор не прекращается и поныне.

Происхождение Вселенной стало объектом исследования как естествоиспытателей, так и богословов и религиозных философов.

Религиозный аспект проблемы должен быть известен нам независимо от того, кто мы — верующие или не верующие, но надеюсь, что во всех случаях — мы ищущие, а христианская вера наших предков является, по крайней мере, неотъемлемой частью современной культуры.

Основное космогоническое положение христианства, мусульманства и иудаизма сводится к тому, что Мир (пространство, материя, время) был создан Богом из ничего, а сам же Бог вечен (не имеет ни начала, ни конца).

Очень трудно, конечно, современному человеку понять это и согласиться с такой мыслью, тем более если он неверующий и уже в детстве усвоил высказывание Демокрита[94]: «Из ничего ничто произойти не может…» Мы безоговорочно поверили и в закон сохранения массы Ломоносова — Лавуазье, распространённый на всё Мироздание, и во второе начало термодинамики.

Эту проблему глубоко и серьёзно обдумывали многочисленные и величайшие религиозные философы и Отцы Церкви, которые оставили нам свои многотомные труды в надежде, что кто-нибудь из нас обратится к этим сокровищницам мысли…

Научный аспект проблемы происхождения и развития небесных тел, к которому мы сейчас перейдём, связан с изучением перехода материи из одного состояния в другое.

Здесь появляется главнейшая космогоническая дилемма: образуются ли звёзды путём сгущения туманности или туманность образуется в результате активных проявлений самой звезды?

С древних времён почти все выдающиеся философы, астрономы, физики и математики были сторонниками «сгущения», коллапса (катастрофического сжатия под действием ньютоновских сил гравитации, притяжения), аккреции материи (гравитационного захвата вещества и последующего его падения на космическое тело). Процессы коллапса и аккреции владели умами многих поколений исследователей, которые в течение долгих сотен лет предлагали умозрительные, внутренне непротиворечивые, строгие физико-математические решения задачи конденсации, сгущения разреженной туманности в плотные небесные тела — планеты, звёзды и галактики.

История этого длительного научного поиска изобилует примерами драматических событий, бескомпромиссных дискуссий и упорного кропотливого труда.

Гипотеза Канта — Лапласа

Обратимся к истории возникновения и совершенствования концепции конденсации.

Лукреций, Эпикур, Демокрит и другие величайшие мыслители Древней Греции предложили большое количество поразительных идей и гипотез о происхождении Мира, однако наиболее обоснованные научные мысли появляются в период творчества величайшего мыслителя — Иммануила Канта.

Знаменитое изречение Канта: «Две вещи на свете наполняют мою душу священным трепетом — звёздное небо над головой и нравственный закон внутри нас» — свидетельствует о его намерении сказать своё весомое слово в этих увлекательных, поражающих воображение вопросах.

Пользуясь строгим математическим, аксиоматическим методом рассуждений и скрупулёзно изучив астрономию, Кант, почти не входя в противоречие со своими древними предшественниками, предложил свою гипотезу. Деликатно обойдя библейский постулат сотворения Мира Богом из «ничего» и одновременно не нарушая закон сохранения массы, он формулирует «небулярную гипотезу», предполагая, что в пространстве первично существовала хаотически бесформенная, но равномерно рассеянная материя, состоящая из пыли и газа. В этой среде, как утверждал Кант, частицы с большей плотностью благодаря ньютоновскому гравитационному притяжению «соберут вокруг себя материю с меньшим удельным весом, и в итоге образуются различные сгустки в виде звёзд и планет». Однако нелишне вспомнить, что до Канта Ньютон тоже думал об этом и, не совершив специальных расчётов, изложил своё предчувствие: «Мне кажется, что если бы вещество нашего Солнца и планет, и всё вещество Вселенной было равномерно распределено по всему небу, и каждая частица обладала бы присущим ей тяготением ко всем остальным частицам, и всё пространство, по которому распределено вещество, было бы конечным, то вещество, находящееся во внешних областях этого пространства, под действием тяготения стремилось бы к веществу во внутренней области и, вследствие этого, упало бы в середину пространства, образовав там одну большую сферическую массу. Но если бы вещество было равномерно размещено по бесконечному пространству, то оно никогда не собралось бы в единую массу».

К этому времени ещё не была доказана гравитационная неустойчивость равномерно распределённых частиц — задача N тел (задача Вейерштрасса). Частные же точные решения взаимодействия трёх тел в гравитационном поле были решены Эйлером[95], Лагранжем[96] и Анри Пуанкаре.

Но Кант интуитивно почувствовал, что хаотически распределённая материя неустойчива и должна распадаться, как он говорил, «должна стремиться к формированию». В этом гениальное интуитивное предвидение Канта.

Но следующий шаг Канта был менее обоснован и заключался в следующей гипотезе: «…в результате распада хаотически распределённой материи образовались все тела не только Солнечной системы, но и всей Вселенной». Свою гипотезу он возвёл в ранг всемирного закона и опубликовал в 1755 году анонимно под названием «Физико-астрономическая теория мироздания». Это была первая серьёзная публикация, положившая начало исследованиям по гравитационному сжатию и теории конденсации.

Скрыть своё авторство Канту, конечно, не удалось, и хотя его гипотеза не совсем противоречила христианскому учению о сотворении мира, прусский король Фридрих Вильгельм II отчитал Канта, направив ему личное письмо. После этого Кант перестал читать курс астрономии и богословия в Кёнигсбергском университете.

Кант как личность, философ и величайший мыслитель вызывает у каждого думающего человека преклонение и трепет. В Кёнигсбергском университете он читал блестящие лекции по математике, физике, астрономии, богословию и этике. Никогда не выезжая из Кёнигсберга, чтобы не прерывать свои исследования по философии, он увлечённо читал в университете курс физической географии и мечтал о путешествиях, которые так и не осуществил.

Им бесконечно восхищался и Виктор Амазаспович, не переставая изучать его сочинения до своих последних дней. С особым увлечением он вдумывался в глубочайшие рассуждения Канта о пределах человеческого разума в работах «Критика чистого разума» и «Критика практического разума».

Виктор Амазаспович часто, шутя, предлагал своим сотрудникам определять уровень своих интеллектуальных способностей в процентах от уровня усвоения кантовских работ и всегда с юмором добавлял: «Не огорчайтесь, если преодолеете только десятипроцентный барьер — это уже будет говорить о вашем таланте». Особенно нравились ему лестные отзывы Канта в адрес армян. У Канта есть и такая работа, посвящённая качественному сравнению различных наций.

Гипотеза Канта восторжествовала в полную силу только после вторжения в эту проблему блестящего французского математика и астронома Лапласа.

Лаплас, так же как и Кант, считал основным механизмом образования планет Солнечной системы процесс гравитационного сжатия. Однако вместо кантовского эволюционного развития хаотической холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникало центральное массивное тело — будущее Солнце, а затем и планеты, Лаплас рассматривает эволюцию первоначально существующей газовой, очень горячей туманности, находящейся в состоянии быстрого вращения. Такая туманность, вследствие закона сохранения момента количества движения, уменьшая свои размеры и вращаясь всё быстрее и быстрее под воздействием увеличивающихся центробежных сил, возникающих в экваториальном поясе, должна была выбрасывать, выпускать кольцеобразные сгустки материи. Из этих колец, вследствие конденсации, и должны были образоваться планеты. Рассматривая космогоническую гипотезу Лапласа с сегодняшних позиций, можно сказать, что ему не нужно было представлять начальную стадию в виде вращающейся туманности, поскольку кантовская модель равномерно распределённой хаотичной среды может распадаться любым способом, в том числе и в виде быстрого вращения, как показали впоследствии многочисленные исследователи этого направления.

Сторонники Лапласа этим вращением пытались объяснить вращение и образование спиральных галактик под действием силы притяжения ядер галактик.

Но основным вкладом Лапласа в астрономию является строгое доказательство гравитационной, динамической устойчивости Солнечной системы и создание теоретических основ небесной механики.

Несмотря на различие гипотез Канта и Лапласа, их объединяет концепция закономерного преобразования туманности в тела Солнечной системы. Поэтому эту концепцию и принято называть гипотезой Канта — Лапласа. С момента создания этой гипотезы и до пятидесятых годов прошлого столетия теория гравитационного сжатия не только существовала как основная космогоническая концепция в астрономии, но и интенсивно развивалась.

Гравитационный радиус Шварцшильда

Американский астрофизик Мартин Шварцшильд[97] теоретически исследовал возможный процесс гравитационного коллапса — катастрофически быстрого сжатия массивных тел под действием ньютоновских сил притяжения.

О чём говорит его теория? Она доказывает, что при гравитационном коллапсе наступает катастрофическое захлопывание — то есть сжатие звезды за каких-нибудь несколько минут в сверхплотную «точку». Была рассчитана предельная масса этой «предельной точки». Она оказалась не более двух масс Солнца.

Итак, в рамках этой теории завершающий этап эволюции звезды очень прост: по мере того как звёзды расходуют ядерное горючее, они теряют свою механическую устойчивость, начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру, и внутренняя, центральная область звезды становится телом с почти бесконечной плотностью, то есть происходит коллапс.

Шварцшильд вывел формулу для гравитационного радиуса сферы (R_gr), на которой сила тяготения, создаваемая массой (M), лежащей внутри этой сферы, стремится к своему максимальному значению:

Здесь G — гравитационная постоянная, с — скорость света в вакууме.

Гравитационный радиус обычных небесных тел, по Шварцшильду, ничтожно мал: Например, для Солнца R_gr≈3 км, а для Земли R_gr≈0,9 см. Это означает, что если тело коллапсирует, то есть сожмётся до размеров гравитационного радиуса, то никакое излучение или частицы не смогут преодолеть поле тяготения и выйти из сферы к удалённому наблюдателю. Гравитационный радиус носит имя своего изобретателя — радиус Шварцшильда.

Чтобы проще понять это явление, представим себе астронавта, который, улетая от нас в дальний космос, обязался посылать нам на Землю радиосигналы через каждую секунду. Сначала посланные сигналы доходят до Земли с секундными интервалами, пока астронавт не оказывается в зоне действия коллапсировавшей звезды, радиус которой равен критическому радиусу Шварцшильда. И чем ближе он подлетает к этой звезде со скоростью, увеличивающейся под действием притяжения, тем чаще земные наблюдатели с удивлением и страхом замечают, что радиосигналы следуют один за другим всё реже и реже и, наконец, перестают поступать и вовсе… А между тем астронавт по своим часам посылает строго секундные сигналы до своего поглощения коллапсировавшей звездой. Это известное явление замедления времени в теории относительности.

Отношение Амбарцумяна к теории гравитационного сжатия

Это красивое и увлекательное явление побудило многих выдающихся астрофизиков углубиться в теорию гравитационного сжатия и попытаться создать «завершённую» теорию внутреннего строения звёзд.

Американский астрофизик Чандрасекар расширил рамки теории гравитационного сжатия, разработав концепцию звёздной эволюции (теория внутреннего строения звёзд). За эту работу он получил Нобелевскую премию.

Крупнейший английский астрофизик Фред Хойл[98], много сделавший в теории гравитационного коллапса, так был увлечён этой проблемой, что даже стал писать научнофантастические произведения. Термин «чёрная дыра» ввёл в обиход астроном Джон Арчибальд Уилер[99] в конце 1967 года, мосле чего не только научная фантастика, но и научная теория внутреннего строения звёзд начала использовать это понятие в различных мыслимых и немыслимых вариантах. Хойлу же принадлежит оригинальная концепция не эволюционирующей, стационарной Вселенной, всегда в среднем остающейся равной самой себе. Стационарности Вселенной Хойл «достигал» с помощью гипотезы о непрерывном рождении вещества (из пустоты!) во Вселенной.

Чтобы завершить историю создания теории гравитационного сжатия, нужно сказать, что до начала XX века астрофизика была ещё в зачаточном состоянии. Фактически отсутствовал основной инструмент астрофизики — спектральный анализ звёзд и галактик, и не было ещё исследований в широком диапазоне длин волн (от рентгена до радиоволн). Теория гравитационного сжатия возникла и развивалась чисто умозрительно, без глубокого анализа результатов астрономических наблюдений. Однако она упорно продолжает развиваться и сейчас.

И всё-таки у Амбарцумяна хватило смелости выступить против мнений таких гигантов мысли, как Ньютон, Кант, Лаплас и некоторых современных ведущих астрономов.

Виктор Амазаспович считал, что «эра умозрительных космогонических теорий прошла и что создание современной концепции происхождения небесных тел должно основываться на достоверном наблюдательном материале, на его анализе и обобщении». Умозрительные, то есть просто-напросто придуманные, пусть даже логически строгие и чрезвычайно остроумные построения опасны тем, что за ними может не быть никакой реальности.

На самом деле Виктор Амазаспович эту мысль понимал гораздо глубже, и его устные разъяснения сводились к тому, что истинное творчество отличается от придуманных построений ещё и тем, что творчество включает в себя, кроме логики, научную прозорливость — научную интуицию. На интуитивном познании мы остановимся в шестнадцатой и восемнадцатой главах.

Как мы уже говорили, к теории гравитационного сжатия Виктор Амазаспович относился вполне определённо, хотя в научных и тем более в научно-популярных работах можно встретить приписываемые ему ошибочные высказывания. Он не был столь категоричен, как многие противники этой теории, и считал, что существование процесса гравитационного сжатия во Вселенной вполне возможно, хотя фактически прямых процессов конденсации не зарегистрировано.

Но самое главное, по его мнению, это то, что теория гравитационного сжатия не в состоянии хоть сколько-нибудь правдоподобно объяснить гигантское разнообразие нестационарных процессов, происходящих во Вселенной, зарегистрированных современными астрофизическими наблюдениями.

Он считал также ошибочным распространённое мнение о том, что релятивистская астрофизика, оперирующая результатами общей теории относительности, ответила в основном на все главные вопросы астрофизики.

Концепция Амбарцумяна представляет собой мировоззренческий переворот, сравнимый по значимости с переворотом Коперника.