Новая занимательная астрономия

Все начинается… с отрицания

Есть немало книг, у которых в заглавии эти два слова стоят рядом: «Занимательная астрономия», «Занимательное в астрономии», «Занимательно об астрономии».

Названия менялись. Развивалась астрономия, возрастал уровень знаний, и то, что вчера казалось удивительным, сегодня становилось не только общеизвестным, но и само собой разумеющимся, изменялось и само представление о занимательности.

Величайшая революция в естествознании на рубеже XIX и XX столетий, появление таких принципиально новых физических теорий, как теория относительности и квантовая механика, не только значительно расширили научные представления о мире, но и во многом изменили стиль научного мышления, подход к изучению явлений природы.

Все чаще совершаются неожиданные открытия, в особенности в физике и астрономии, открытия, которые заставляют во многом пересматривать привычные представления, открывают новые стороны явлений, существенно расширяют и углубляют наши представления о мире.

Разумеется, это вовсе не означает, что наука недалекого будущего начисто опровергнет все наши современные знания. Ожидать чего-либо подобного было бы просто нелепо. Естествознание достигло величайших успехов в познании природы, открыло многие фундаментальные законы, нашедшие немало практических приложений. Это — золотой фонд, который при любых «научных переворотах» сохранит свое значение. Конечно, наука движется вперед, но в этом движении она прежде всего опирается на всю сумму достигнутых знаний. И если даже в науке происходят революции и утверждаются принципиально новые представления, все равно прежние фундаментальные теории входят в них в качестве составных частей и остаются справедливыми для определенного круга явлений и условий.

И все же развитие современной науки во многом связано с необычным. Необычные идеи, идущие вразрез с установившимися взглядами, необычная постановка вопроса, необычный взгляд на обычное, необычный подход к решению той или иной проблемы; сопоставление, казалось бы, несопоставимых вещей; необычный вывод из давно известных данных; наконец, новые факты, противоречащие установившимся, ставшим привычными представлениям.

Противоречивость, парадоксальность…

Заглянем в «Большую советскую энциклопедию». Мы обнаружим, что парадоксом называется какое-либо явление или высказывание, противоречащее общепринятым представлениям или даже здравому смыслу.

Парадоксы бывают разные. Одни из них отражают действительное положение вещей, другие — лишь кажущиеся противоречия. Но так или иначе, парадокс — это прежде всего противоречие.

Одно из действующих лиц известной комедии английского писателя Оскара Уайльда «Идеальный муж», лорд Кавершем, по ходу пьесы много раз повторяет одну и ту же сакраментальную фразу:

— Парадокс? — Терпеть не могу парадоксов!..

Догадаться, почему парадоксы навлекли на себя столь упорную неприязнь почтенного лорда, не так уж трудно. Ведь всякое противоречие неизбежно разрушает привычный строй мыслей, требует, чтобы в нем разобрались… Оскар Уайльд в лице лорда Кавершема высмеял упрямый традиционизм и консервативность мышления известной части английского дворянства, не желавшего утруждать себя раздумьями и предпочитавшего отмахиваться от всего неясного и непривычного.

Между тем отмахнуться от парадоксов не так-то просто, потому что с ними приходится встречаться буквально во всех областях человеческой деятельности.

Существуют, например, занятные парадоксы — рассуждения, противоречащие общепринятому мнению и потому в первый момент вызывающие удивление и поражающие воображение. Разве не парадоксальна, скажем, такая пословица: «Тише едешь — дальше будешь»?

И нужны определенные усилия, чтобы понять, какой смысл открывается в этом противоречивом утверждении. А он есть…

Весьма любопытны логические парадоксу — рассуждения вполне строгие, но ведущие к внутренне противоречивым выводам, относительно которых никак нельзя сказать, истинны они или ложны, — так называемые софизмы. Софизмы были знакомы еще мудрецам древнегреческой философии.

Один человек заявил: «Все, что я говорю, — ложь!» Но отсюда следует, что он солгал и в данном случае. А это, в свою очередь, означает, что он сказал правду. Но если сказанное этим человеком — правда, значит, он солгал… и т. д.

Или известная притча о том, как собирались казнить одного мудреца. Прежде чем лишить обвиняемого жизни, судья предложил ему произнести последнее слово, пообещав при этом, что, если осужденный скажет правду, его повесят, а если солжет, ему отрубят голову. Недолго думая, мудрец вскричал: «Мне отрубят голову!» И… казнь была отложена. Ведь если бы теперь мудреца повесили, то вышло бы, что он солгал и ему нужно было бы отрубить голову. Но если бы ему отрубили голову, это значило бы, что он сказал правду и его должны были бы повесить…

И в том и в другом случае вполне правильные логические рассуждения, не содержащие никаких ошибок, приводят к внутренне противоречивым результатам, которые нельзя считать ни истинными, ни ложными.

Между прочим, парадокс здесь не в том, что мы вращаемся в заколдованном круге противоречивых утверждений, а в том, что в рамках строгой и безошибочной формальной логики, признающей либо «да», либо «нет», оказываются возможными ситуации, при которых нельзя утверждать ни «да», ни «нет».

Видимо, уже в самих исходных посылках содержатся какие-то принципиальные пороки. Любопытно, что природу этих парадоксов, по существу, не удалось выяснить и до настоящего времени.

Парадоксы играют чрезвычайно важную роль и в развитии науки. Известный советский физик академик Л. И. Мандельштам говорил, что существуют две степени понимания той или иной проблемы. Первая — когда данный круг явлений достаточно хорошо изучен и как будто известно все, что к нему относится. Но если возникает новый вопрос из той же области, то он может поставить в тупик.

И вторая степень понимания — когда появляется общая картина, приходит ясное понимание всех связей, и внутренних, и внешних.

Так вот, весьма часто переход от первой ко второй, более высокой степени понимания связан с разрешением тех или иных парадоксов и противоречий.

Например, известный физик Сади Карно считал в свое время, что в природе имеется постоянное количество теплоты и она лишь перетекает с одного уровня на другой. Но вскоре другой ученый, Джоуль, опытным путем доказал, что теплота может возникать заново, за счет совершения работы. Оба утверждения явно противоречили друг другу. Попытки разрешить это противоречие в конечном счете привели к созданию современной термодинамики — науки о тепловых процессах.

Хорошо известно, что противоречия и парадоксы, оказавшиеся неразрешимыми в рамках классической физики, привели к созданию теории относительности, а позднее — квантовой механики.

С преодолением весьма существенных парадоксов непосредственно связана и разработка современной картины строения Вселенной.

С парадоксальными явлениями столкнулась и современная астрофизика. В последние годы в глубинах Вселенной был обнаружен целый ряд необычных объектов и явлений: реликтовое радиоизлучение, подтвердившее теоретические выводы о том, что наша Метагалактика образовалась в результате взрывного распада сверхплотного сгустка горячей плазмы; квазары, выделяющие огромные количества энергии; источники импульсного излучения — пульсары, оказавшиеся гипотетическими нейтронными звездами; взрывные процессы в ядрах галактик; рентгеновские звезды; радиоизлучение космического гидроксила ОН и многое другое.

Очень может быть, что эти сюрпризы Вселенной — первый сигнал о необходимости «усовершенствования» наших представлений о материи и мироздании, хотя еще слишком рано делать вывод о том, что новые астрономические открытия должны обязательно повлечь за собой очередную революцию в физике.

«Большинство астрофизиков считает, — пишет известный советский физик академик В. Л. Гинзбург, — что возможность объяснить необычные явления во Вселенной, не прибегая к существенно новым представлениям, отнюдь еще не исключена… С другой стороны, ядра галактик и квазары — как раз те объекты, где скорее всего можно подозревать существование отклонений от известных физических законов…»

Противоречия и парадоксы могут играть в науке и более скромную роль, помогая уяснить кар; гину явления, разобраться во всем многообразии внутренних связей того или иного процесса, составить правильное представление о методах научного познания природы.

Итак, полезно взглянуть на некоторые явления окружающего нас мира с необычной стороны, постараться увидеть его не таким, каким он видится нам сквозь призму привычных представлений.

Невольно вспоминаются слова известного американского писателя-фантаста Роберта Шекли:

«…Решительно все можно вывернуть наизнанку и превратить в собственную противоположность. Исходя из такого допущения, можно поиграть во многие занятные игры…»[2].

Стоит добавить: не только занятные, но и полезные. И не только астроному, физику или химику, но и любому специалисту, занятому своим творческим делом: писателю, художнику, инженеру и вообще каждому любознательному человеку.

Когда одного известного конструктора спросили, какими качествами должен, по его мнению, обладать хороший инженер, он ответил почти по Шекли: «Настоящий инженер должен не только хорошо понимать то или иное явление, но и уметь вывернуть его наизнанку».

Мало изучить какое-либо явление по учебнику, зазубрить соответствующие законы и запомнить наизусть математические формулы. Надо уметь подойти к явлению с различных сторон, уметь представить себе, что произойдет, если оно будет протекать не совсем обычным образом. И главное — быть готовым к тому, что оно может протекать не так, как мы этого ожидаем.

Выдающийся современный физик Р. Фейнман пишет в своей книге «Характер физических законов»:

«…Один философ сказал: „Для самого существования науки совершенно необходимо, чтобы в одних и тех же условиях всегда получались одни и те же результаты“. Так вот этого не получается. Вы можете точно воспроизвести все условия и все-таки не сможете предсказать, в каком отверстии вы увидите электрон. Тем не менее, несмотря на это, наука жива, хотя в одних и тех же условиях не всегда получаются одни и те же результаты…

Поэтому в действительности для самого существования науки совершенно необходимо вот что — светлые умы, не требующие от природы, чтобы она удовлетворяла каким-то заранее предусмотренным условиям…»

Задача настоящей книги — познакомить с необычным в современной астрономии. С одной стороны, это новые факты, необычные с точки зрения прежних традиционных представлений, с другой стороны — рассмотрение известных фактов под необычным углом зрения. Часть книги посвящена оригинальным гипотетическим предположениям, а также некоторым дискуссионным вопросам современной науки о Вселенной.

Современная наука, и астрономия в особенности, смело вторгается в неизвестное. И точно так же, как стирается в наше время грань между отвлеченными теоретическими построениями и практическими применениями, стирается и грань между наукой и фантастикой. С одной стороны, сама современная наука с достаточной терпимостью и вниманием относится к самым ошеломляющим фантастическим гипотезам, с другой, научная фантастика — арена, где можно все же свободнее, чем в «официальной» науке, высказывать и обсуждать самые невероятные идеи, разумеется, если в них есть рациональное зерно. И, может быть, именно это последнее обстоятельство привлекает сегодня в сферу научно-фантастической литературы не только писателей, но и многих профессиональных ученых.

Наконец, научная фантастика делает многие вполне реальные идеи и проблемы более зримыми и выпуклыми, а потому и более доступными для восприятия.

Знакомясь с наиболее острыми проблемами современной науки о Вселенной, мы будем прибегать и к помощи научной фантастики…

Мир, в который вводит эта книга, будет в основном астрономическим. Но у его границ располагаются и другие науки: физика, математика, биология, химия… Тоже одна из характерных особенностей современной науки — обилие пограничных проблем…

Отправляясь в путь, приведем еще одну подходящую к случаю выдержку из рассказа Р. Шекли:

«Вполне возможно, что в искаженном мире с тобой совершенно ничего не случится. Рассчитывать на это неразумно, но столь же неразумно не быть готовым к этому… Возможно, эти замечания об искаженном мире не имеют ничего общего с искаженным миром. Но путешественник предупрежден».

Книга, к чтению которой вы приступаете, отнюдь не является стройным и последовательным изложением современной астрономии или каких-либо ее разделов — занимательным вариантом систематического курса астрономической науки. В ней рассматриваются лишь отдельные вопросы, так или иначе связанные с изучением Вселенной и представляющие интерес с точки зрения того понимания занимательности, о котором говорилось выше.

Автор старался как можно реже прибегать к расчетам и формулам, поскольку главную свою задачу видел в том, чтобы, не претендуя на строгость изложения, постараться раскрыть перед читателем прежде всего качественную сторону явлений и особенности их изучения.

Как ни покажется на первый взгляд странным, добрая половина научных открытий начинается с отрицания. Отрицательное и положительное. Взаимно исключающие крайности. Но так ли это в действительности? Не рождается ли в некоторых случаях положительное из отрицательного? И, в частности, так ли уж «отрицательна» роль «отрицательного» в науке? Может быть, она скорее «положительна»?

За этой кажущейся игрой слов кроются серьезные вещи.

У любой научной теории есть свои границы, тот круг явлений и условий, которые она достаточно хорошо описывает, — границы ее применимости. Всякая теория неизбежно ограничена и не в состоянии Отразить всех явлений бесконечно разнообразной природы. Правда, существует точка зрения, согласно которой все многообразие мировых процессов может быть в принципе описано конечным числом фундаментальных законов. Однако правомерность подобного утверждения вызывает серьезные сомнения. Во всяком случае, оно ничем пока еще не доказано. История естествознания скорее свидетельствует обратное.

Итак, у любой теории, даже самой общей, есть свои границы применимости, и рано или поздно обнаруживаются факты, которые лежат за этими границами, — происходит отрицание привычных представлений. То самое отрицание, с которого начинается созидание — построение новой, более общей теории.

И вовсе не следует представлять себе дело так, будто новая теория начисто отметает все, что было раньше. На-оборот, она вбирает в себя уже достигнутое как некий частный, предельный случай. В той области, в которой прежняя теория подтверждена фактами, она полностью сохраняет свое значение. В этом состоит «принцип соответствия» — одно из фундаментальных положений современной физической науки.

Прежняя теория не только не ликвидируется, наоборот, ее авторитет во много раз возрастает. Во-первых, ее положения применяются теперь в более четко очерченных границах, и это увеличивает их надежность. А во-вторых, ее значение подкрепляется не только собственными «заслугами», но и заслугами более общей теории, частным случаем которой она теперь становится…

Следовательно, с появлением новой теории отрицается не прежнее знание, а лишь прежние «заблуждения».

К примеру, в эпоху господства классической физики считалось, что механические закономерности применимы ко всем без исключения явлениям природы. Это было заблуждение. Именно по нему, а вовсе не по механике Ньютона нанесла удар теория относительности. Что же касается самой классической механики, то она оказалась частным случаем теории относительности при скоростях, значительно меньших скорости света, и при не слишком больших массах. Благодаря этому механика не только не утратила своего значения, но, наоборот, стала несравненно достовернее.

Таким образом, существенный прогресс научной теории начинается с отрицания.

Не случайно поиск новых фактов особенно интенсивно ведется именно в таких направлениях, где есть основания надеяться на получение принципиально новой информации.

«…Экспериментаторы усерднее всего ведут поиск там, где вероятнее всего найти опровержение наших теорий, — утверждает Р. Фейнман. — Другими словами, мы стараемся как можно скорее опровергать самих себя, ибо это единственный путь прогресса»[3].

А всякому отрицанию неизбежно предшествует сомнение.

«Сомнение — необходимый компонент развивающейся науки, — говорит тот же Р. Фейнман, — одна из предпосылок научного знания: либо мы оставим открытой дверь нашему сомнению, либо никакого прогресса не будет. Нет познания без вопроса, нет вопроса без сомнения…»[4].

Итак: новые факты — сомнения — отрицание привычных представлений — разработка более общих, чем прежде, теоретических представлений — такова столбовая дорога научного прогресса. И отрицание на этой дороге — одна из первых узловых станций.

Таким образом, новые факты, противоречащие существующим представлениям, в конечном счете играют не разрушающую, а, наоборот, созидающую роль: они ведут к обобщению и углублению этих представлений.

Астрономическая наука последних десятилетий особенно богата открытиями новых фактов. И этим она прежде всего обязана усовершенствованию телескопов и появлению новых эффективных методов исследования Вселенной: радиоастрономии, инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-астрономии, а также развитию полетов в космос и применению различных космических аппаратов для астрономических наблюдений.

Немаловажную роль играет и то обстоятельство, что космос на наших глазах становится поставщиком весьма ценной научной информации, значение которой далеко выходит за рамки чисто астрономических интересов.

В необъятных просторах Вселенной протекают такие процессы, которые на Земле не происходят и которые мы поэтому еще не знаем. Бесчисленные формы существования материи, неизвестные человеку источники энергии, необычные физические условия…

Современная физика достигла такого уровня развития, когда чуть ли не каждый новый шаг вперед требует весьма сложных и тонких экспериментов, для осуществления которых приходится создавать все более мощные и грандиозные установки. Их строительство занимает годы и требует значительных затрат. Но дело даже не только в этом. Как правило, современные экспериментальные физические исследования так или иначе представляют собой в большинстве случаев опытную проверку тех или иных выводов теории. Возможностей натолкнуться в эксперименте на какое-то непредвиденное, совершенно неожиданное явление с каждым годом остается все меньше. Времена «свободного» экспериментального физического поиска, как это было в «добрую» старую классическую эпоху, практически давным-давно миновали.

Другое дело — поиск в бесконечно разнообразной лаборатории Вселенной, где всегда есть возможность обнаружить что-либо неизвестное. Хотя, разумеется, и здесь многое зависит и от технических средств (еще не все космические явления мы можем наблюдать), и от теоретических предпосылок (можно наблюдать нечто оригинальное и не обратить внимания).

Конечно, не следует думать, что на Земле физикам уже больше нечего делать и остается только одно — направить свои усилия на изучение космических явлений. Земная и космическая физика должны дополнять друг друга. Но, во всяком случае, на данном этапе развития естественных наук Вселенная в ближайшем будущем может стать очень важным поставщиком ценнейшей информации, которая способна значительно расширить наши представления о физике мироздания.

Но добывать новые факты в лаборатории Вселенной далеко не просто. Прежде всего, потому, что космические объекты находятся на огромных расстояниях от Земли. Есть и другие трудности.

«Черные ящики» в космосе

В кибернетике рассматривается такая задача. Есть некоторый объект, внутреннее устройство которого нам неизвестно. Его называют «черным ящиком». Но у этого объекта имеются «входы» и «выходы». На «входы» поступают внешние воздействия, объект отвечает на них определенными реакциями.

Задача состоит в том, чтобы, не «вскрывая» черного ящика, только по характеру входных и выходных сигналов составить представление о его внутреннем устройстве.

Представьте себе, что вы не знаете ни конструкции, ни принципа действия вашего радиоприемника. Известно лишь, что на его «вход» поступают электрические сигналы с антенны, а на «выходе», в динамике, мы слышим звук: голос, музыку, пение. И по этим «входным» и «выходным» данным необходимо составить представление о конструкции черного ящика — радиоприемника.

В принципе существуют два пути решения задачи. Можно регистрировать поступающие от антенны сигналы и сравнивать их с тем, что происходит на «выходе». Это — путь наблюдений. Но есть и другая возможность, более активная. Самим подавать на «вход» различные сигналы и наблюдать, что произойдет на «выходе».

Очевидно, второй путь более эффективен; в частности, он открывает возможность оперативной проверки возникающих гипотез и предположений относительно «конструкции» черного ящика. Изучив закономерности, связывающие между собой входные и выходные сигналы, можно, в принципе, построить модель, достаточно точно отражающую устройство черного ящика. Астрофизики решают аналогичные задачи. Большинство космических объектов — черные ящики, внутреннее строение которых, т. е. происходящие в них физические процессы, можно изучать лишь по внешним проявлениям.

Однако положение астрономов осложняется, по меньшей мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, они лишены возможности экспериментировать, а могут лишь наблюдать. Во-вторых, большинство космических черных ящиков — это ящики, у которых нет «входов».

Во всяком случае, эти «входы» в. настоящее время нам неизвестны. Например, мы не знаем таких внешних воздействий, которые могли бы изменить течение физических процессов на Солнце. Есть, правда, экстравагантная гипотеза, принадлежащая Э. Броуну, гипотеза, согласно которой периодические колебания солнечной деятельности связаны с приливными возмущениями со стороны планет. Однако пока это всего лишь предположение…

Впрочем, среди космических объектов имеются и такие, для которых внешние воздействия играют существенную роль. В частности, любопытные явления были обнаружены в так называемых двойных системах, состоящих из двух звезд, обращающихся вокруг общего центра масс. Если одна из этих звезд достаточно массивная и обладает мощным гравитационным полем, то на нее, согласно выводам современной астрофизики, должно перетекать вещество второй, «нормальной» звезды. Подобный процесс может играть роль «входного» сигнала, заметно влияющего на состояние массивной звезды.

Есть определенные «входы» и у таких небесных тел, как планеты и кометы. Для планет это, к примеру, воздействие солнечной активности, а для комет — теплового и светового излучения Солнца, солнечного ветра, а также притяжения планет-гигантов.

Но при изучении Солнца у современных астрономов практически есть лишь одна реальная возможность: регистрировать явления, которые происходят в его внешних слоях. Это и есть «выходы» солнечного черного ящика.

Не верь глазам своим

Другая трудность, с которой сталкиваются исследователи Вселенной при поиске новых фактов, характерна не только для астрономии, но и для таких наук, как, скажем, физика и математика. Речь идет о соотношении между нашими наглядными представлениями и реальной действительностью.

Весь опыт познания природы и, частности, история астрономии убедительно доказывают, что «наглядность» — весьма ненадежный советчик при решении научных вопросов. Например, философы древности рассуждали так. Представим себе, что у Вселенной есть край и человек достиг этого края. Однако стоит ему только вытянуть руку — и она окажется за границей Вселенной. Но тем самым рамки материального мира раздвинутся еще на некоторое расстояние. Тогда можно будет приблизиться к новой границе и повторить ту же самую операцию еще раз. И так без конца… Значит, Вселенная бесконечна.

«Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной, ибо иначе края непременно она бы имела», — писал Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей».

Но, к сожалению, подобные рассуждения не могут служить основанием для серьезных научных выводов. Мы многое не можем себе представить, но это само по себе еще ничего не доказывает. Рассуждение же Лукреция, хотя внешне и логично, на самом деле как раз опирается на наши привычные земные представления, молчаливо предполагая, что они справедливы везде и всегда.

Можно вспомнить хотя бы о тех возражениях, которые вызывала в свое время идея кругосветного путешествия, выдвинутая Магелланом. Его противники апеллировали именно к наглядности. «Как можно, — восклицали они, — двигаясь все время по прямой в одном направлении, вернуться в ту же точку?» Возможность такого результата противоречила общепринятым житейским представлениям. Но, как известно, действительность подтвердила предположения Магеллана.

Аналогичные возражения встречала идея антиподов: если Земля шарообразна, то как могут люди жить на другой ее стороне? — Ведь им приходится ходить вниз головой…

При астрономических же наблюдениях наглядность отказывает буквально на каждом шагу. Ежедневно мы видим, например, как в дневное время Солнце, а ночью Луна и звезды перемещаются по небу с востока на запад. Зрительно нам кажется, что Земля неподвижна, а небесные светила вращаются вокруг нее. Так и думали люди в древности, принимая это кажущееся движение за действительное. Сегодня же любому школьнику известно, что видимое суточное перемещение небесных светил — всего лишь отражение собственного вращения Земли.

Весьма замысловаты и видимые перемещения планет среди звезд, происходящие за длительные промежутки времени. Планеты то движутся с запада на восток, то вдруг останавливаются и начинают движение в обратном направлении — к западу. А затем, описав на небе своеобразную петлю, вновь устремляются к востоку.

В действительности же, петлеобразное движение планет — это движение кажущееся, иллюзорное. Оно возникает вследствие того, что мы наблюдаем за планетами с Земли, которая сама обращается вокруг Солнца. Коперник не только понял природу этого явления, но и ввел в естествознание важнейший методологический принцип: мир может быть не таким, каким мы его непосредственно наблюдаем. И поэтому задача науки состоит в том, чтобы выяснять подлинную сущность явлений, скрытую за их внешней видимостью.

Этот принцип не только лег в основу гелиоцентрической системы мира, разработанной Коперником, но и по существу стал фундаментом всего современного естествознания.

Еще один пример, наглядно иллюстрирующий принцип Коперника. Солнце представляется нам на небе сравнительно небольшим диском, почти таким же, как диск Луны. Однако и это всего лишь иллюзия — результат того, что Солнце расположено в 400 раз дальше от Земли, чем наше ночное светило. Если бы мы наблюдали Солнце с орбиты Плутона, самой далекой планеты Солнечной системы, оно показалось бы нам точкой.

А звезды? Мы видим их точками даже при наблюдении в самые мощные телескопы. А среди них есть гиганты, в миллионы и миллиарды раз превосходящие Солнце по своим объемам. Все дело в огромных расстояниях.

Расстояния привносят свои коррективы и в наблюдаемые нами яркости звезд. Одни звезды представляются более яркими, другие — менее яркими. Но само по себе это еще ничего не говорит о количестве света, которое они действительно излучают. Приведем пример. Вот четыре всем известные звезды: Солнце — самая яркая наша звезда, Сириус — ярчайшая звезда ночного неба, звезда Вега из созвездия Лиры (в 4 раза слабее Сириуса) и Полярная звезда — самая слабая из этих четырех светил (в 6 раз слабее Веги).

Но если бы мы могли расположить эти четыре звезды на одинаковом расстоянии от Земли, то нам пришлось бы произвести полную «переоценку ценностей». На первое место вышла бы Полярная звезда, Вега и Сириус поменялись бы местами, а Солнце оказалось бы в самом конце…

Рис. 1. Зависимость видимой яркости звезд от расстояния.

И вообще внешний вид небесного светила может быть довольно обманчивым. Вот хотя бы Луна. Поэты издавна величают нашу космическую спутницу серебристой. В ясные ночи в период полнолуния земные предметы отбрасывают в лучах Луны вполне четкие тени…

В действительности же лунная поверхность отражает всего около семи процентов падающего на нее солнечного света.

В обычных земных условиях предмет, который отражает меньше одной десятой части световых лучей, мы называем черным или, во всяком случае, темно-серым.

И действительно, лунная поверхность — темная. Об этом свидетельствуют телевизионные изображения, переданные с Луны советскими и американскими автоматическими станциями. Это подтверждают и наблюдения американских космонавтов.

Впрочем, справедливость требует отметить, что не все лунные породы черные. Есть и желтые, и коричневые. Кроме того, цвет лунной поверхности во многом зависит от угла падения солнечных лучей. Кстати сказать, объективно измеренный цвет Луны — темно-желтый.

Почему же при всем этом Луна на земном небе кажется нам ярким светилом? Только по контрасту с окружающим черным фоном ночного неба…

И еще одна астрономическая иллюзия. Каждый, разумеется, не раз наблюдал на небе красавицу Венеру, утреннюю или вечернюю «звезду». Ярко сияющей точкой видна она на восходе или на закате… Но посмотрим на Венеру в телескоп. Чаще всего мы увидим серпик, напоминающий лунный «месяц»…

Рис. 2. Фотография планеты Венера.

Однако иначе и быть не может. Ведь в пору своей видимости Венера располагается в стороне от линии, соединяющей Землю с нашим дневным светилом. И поэтому мы ни при каких обстоятельствах не можем увидеть всю освещенную Солнцем половину планеты. Это возможно лишь в том случае, когда Венера находится по другую сторону от Солнца. Но тогда она теряется в его ярких лучах и мы ее вообще не можем наблюдать.

Венера кажется нам звездообразной только благодаря тому, что из-за дальности расстояния наш глаз не способен различать действительные очертания венерианского серпика.

Обман зрения может возникать и при телескопических наблюдениях. Один из самых ярких примеров — знаменитая история открытия каналов Марса. В 1877 г. во время очередного сближения Марса и Земли итальянский астроном Скиапарелли, направив на Марс свой телескоп, обнаружил на поверхности этой планеты тонкую сетку линий, пересекающих ее в различных направлениях. Так родилась загадка марсианских каналов, породившая множество фантастических гипотез о высокой цивилизации, будто бы существующей на таинственной красноватой планете.

Однако многие астрономы утверждали, что никаких каналов на Марсе нет, что пресловутые каналы — всего лишь оптическая иллюзия, возникающая при телескопических наблюдениях. В действительности, говорили они, на поверхности планеты имеется большое количество разрозненных деталей. Но благодаря огромному расстоянию они сливаются для нашего глаза в сплошные линии…

Нечто подобное мы наблюдаем, глядя на экран телевизора. Как известно, телевизионная картинка состоит из нескольких сотен строчек, которые прочерчивает одну за другой электронный луч. Если подойти близко к телевизору, в особенности к телевизору с большим экраном, то эти строчки отчетливо видны. Но стоит удалиться от экрана на достаточное расстояние, и наш глаз перестает различать отдельные строки — они сливаются в сплошное, непрерывное изображение.

Пытаясь доказать, что каналы Марса — обман зрения, некоторые ученые ставили любопытные эксперименты. Они собирали в достаточно большой аудитории людей, которые ничего не слышали ни о Марсе, ни о проблеме марсианских каналов, и вывешивали перед ними на стене специальные рисунки, на которых были беспорядочно разбросаны всевозможные пятна и точки. Затем присутствующих просили перерисовать эти изображения.

Результаты подобных опытов оказались весьма убедительными. Испытуемые, сидевшие в первых рядах и хорошо видевшие оригинал, достаточно точно воспроизводили его без каких бы то ни было добавлений. Но те, кто сидел подальше, изображали линии, которых не было на оригинале, — изображали потому, что не могли на большом расстоянии четко различать отдельные детали, которые казались им сплошными линиями.

Время показало, что результаты подобных экспериментов верно отражали истинное положение вещей. Космические аппараты, передавшие телевизионные изображения марсианской поверхности с близкого расстояния, никаких каналов на этой планете не обнаружили. А в тех самых местах, где на обычных астрономических изображениях Марса «каналы» были видны на поверхности планеты, оказались цепочки небольших кратеров и других мелких деталей.

Нередко неопределенности при астрономических исследованиях возникают в связи с тем, что далеко не всегда удается уверенно определять расстояния до тех или иных космических объектов. Объекты, расположенные в одном и том же месте небесной сферы, на самом деле могут находиться на существенно разных расстояниях от Земли, а следовательно, и друг от друга.

Несколько лет назад американские астрономы сообщили о том, что в центральной части нашей звездной системы Галактики ими обнаружены обособленные плотные сгущения газа. Характер движения этих сгущений можно было истолковать как свидетельство того, что в центре Галактики находится компактное массивное тело. Однако последующие наблюдения, проведенные на крупнейшем советском радиотелескопе РАТАН-600, показали, что сгущения, о которых идет речь, скорее всего не принадлежат нашей Галактике, а лишь случайно проецируются на ее центральную часть.

И еще одно обстоятельство, способное порождать неопределенности: различные физические процессы в космосе могут генерировать электромагнитные излучения, обладающие приблизительно одинаковыми свойствами.

Вероятно, можно было бы привести еще немало примеров и соображений, показывающих, что исследователи Вселенной не имеют права ни доверять непосредственным впечатлениям, ни делать скоропалительные выводы. Особенно в тех случаях, когда изучаются сложные и неясные космические процессы.

Дело в том, что между физическим процессом, протекающим где-либо во Вселенной, и выводами ученых, наблюдающих этот процесс с Земли, лежит цепочка из очень многих звеньев. И при переходе от каждого из них к последующему возможны неточности и неправильные умозаключения. А проверить что-либо непосредственно так, как это делается, скажем, в физике или биологии, — возможности нет.

Кроме того, показание любого измерительного прибора, применяемого при астрономических исследованиях, — отклонение стрелки или почернение фотопластинки — само по себе еще не является научным фактом. Чтобы показание прибора стало таким фактом, оно должно быть соответствующим образом истолковано, интерпретировано. А такая интерпретация может быть осуществлена лишь в рамках определенной научной теории.

«Эксперимент никогда не имеет характера простого факта, который можно констатировать, — подчеркивал известный физик Луи де Бройль. — В изложении этого результата всегда содержится некоторая доля истолкования, следовательно, к факту всегда примешаны теоретические представления»[5].

И если в какой-либо области науки имеются в данный момент конкурирующие теоретические концепции, то одни и те же наблюдательные или экспериментальные данные могут получить с точки зрения этих концепций совершенно различные истолкования. Для того, чтобы заключения о природе того или иного космического явления были в достаточной степени надежны, необходимо рассматривать это явление под разными углами зрения, изучать его независимыми методами и полученные результаты сопоставлять между собой.

Впрочем, все это, разумеется, относится не только к астрономии, но и к любым другим наукам. Разница лишь в том, что для астронома этот вопрос, пожалуй, имеет особое значение. Ведь на протяжении столетий главным инструментом исследования небес был глаз — глаз наблюдателя. Он был источником всех сведений, и многое зависело от того, доверять ему безраздельно или относиться к полученной с его помощью информации в достаточной степени критически.

И астрономы ошибаются

Верно оценивать факты и делать на их основе правильные выводы астрономам мешает не только общечеловеческое доверие к наглядности, но иной раз и самые обычные ошибки. Ни одна наука, даже такая точная, как математика, к сожалению, не обходится без ошибок. Досадные недосмотры и незамеченные опечатки со временем обнаруживаются почти в каждом научном труде. Говорят, один ученый задался целью подытожить ошибки, допущенные авторами нескольких десятков математических книг. Он написал по этому поводу солидный труд, но, как выяснилось, и сам допустил в нем несколько сотен ошибок.

Впрочем, ошибки бывают разные. Иногда — это результат небрежности, чаще — следствие ограниченности знаний, недостаточной изученности того или иного вопроса. Бывают и ошибки неожиданные, которые трудно предвидеть заранее и которые не так-то просто обнаружить.

Впрочем, и ошибки, если их выявить вовремя и как следует разобраться в причинах, тоже поучительны…

Несколько лет назад астрономический мир облетело любопытное сообщение: французские ученые на обсерватории Верхний Прованс обнаружили в спектре карликовой звезды HD 117042 линии излучения нейтрального калия… До этого в спектрах подобных звезд калия никто не наблюдал. Да и на последующих спектрограммах той же звезды ничего подобного не повторялось.

Однако спустя два года загадочная «калиевая вспышка» была отмечена еще у одной карликовой звезды — HD 88230.

Заинтригованные астрономы приступили к систематическим поискам. Увы, безуспешно. Возможно, дело на том бы и закончилось, если бы в 1965 г. не обнаружилась еще одна калиевая вспышка у третьей звезды.

В воздухе запахло сенсацией. Ведь на этот раз речь шла о звезде, у которой поверхностная температура составляла около 12 тысяч градусов. Как мог при такой громадной температуре сохраниться калий в нейтральном состоянии?

Загадочным казалось и то, что у всех трех звезд калиевая вспышка наблюдалась только по одному разу. На спектрограммах, полученных спустя всего лишь несколько часов, никаких следов таинственного калия не было и в помине. Но как мог состав атмосферы звезды так измениться за столь короткий срок? Тем более, что линия калия при «вспышке» была весьма широкой и интенсивной.

И вдруг три калифорнийских астронома сообщили о том, что ими найдено совершенно неожиданное решение проблемы. Загадочные линии калия на спектрограммах, утверждали они, — это не какие-то «призраки» и не «фотоиллюзии» как на снимках пресловутых «летающих тарелок», а вполне добропорядочные линии абсолютно реального калия. Только находился этот калий не на далеких звездах, а совсем рядом — в помещении самой обсерватории, через которое проходил луч света от звезды. И входил он не в состав звездных атмосфер, а в состав самой обыкновенной спички. Да, стоило во время наблюдений зажечь рядом с телескопом спичку, как на спектрограмме появлялся калий. Американские ученые проверили это многократными исследованиями. Так в истории астрономии появилась «спичечная гипотеза»…

Впрочем, может быть, калифорнийские исследователи тоже ошибаются? Ведь из трех наблюдателей, зарегистрировавших таинственные «калиевые вспышки», курильщиков было только двое…

Еще один пример. Изучая спектральными методами химический состав спутника Сатурна Титана — единственного в Солнечной системе спутника, обладающего газовой оболочкой, астрономы пришли к заключению, что она состоит главным образом из метана. На этом основании высказывались даже смелые предположения о возможности существования на Титане органической жизни.

Однако приборы, установленные на борту межпланетной автоматической станции «Вояджер-1», побывавшей в районе Сатурна в ноябре 1980 г., показали иное. Оказалось, что атмосфера Титана на 93 % состоит из азота, а содержание метана не превосходит 1 %.

Как же могли астрономы столь сильно ошибиться? Злую шутку с учеными сыграло строение атмосферы Титана. Хотя поперечник Титана равен всего приблизительно 5 тыс. км, т. е. в 2 1/2 раза меньше поперечника Земли, толща его атмосферы примерно в 10 раз превышает толщу атмосферной оболочки нашей планеты. А метан, как выяснилось, сконцентрирован в основном в самых верхних ее слоях. Эта «метановая маска» и скрывала истинное положение вещей, создавая превратное представление о составе всей атмосферной оболочки.

Вопреки здравому смыслу?

Пока что речь у нас шла о наглядности в более простом и непосредственном значении этого слова: «не верь глазам своим», а точнее: «проверяй и перепроверяй то, что видишь». Но этим проблема наглядности в науке отнюдь не исчерпывается. Есть у нее и другая сторона. Является ли наглядность необходимым условием справедливости того или иного научного вывода? Другими словами: если то или иное научное положение верно отражает реальный мир, значит ли это, что мы обязательно можем себе наглядно представить все, что с ним связано, да еще так, чтобы эти представления не противоречили нашему здравому смыслу?

Прежде всего — что такое «здравый смысл?» Мы уже говорили о том, что реальный мир всегда значительно богаче и разнообразнее, чем наши научные представления о нем. Как бы далеко мы ни продвинулись в своих исследованиях, в наших знаниях всегда будут определенные пробелы. Любые научные теории, как мы уже отмечали, имеют определенные границы применимости. Но где именно проходят эти границы, заранее обычно неизвестно. Вполне естественно, что попытки применить существующие представления за границами их применимости неизбежно приводят к неверным результатам. Однако до поры до времени подобные результаты принимаются за истину. Так рождаются заблуждения.

Это и есть «здравый смысл» данной исторической эпохи— «знания плюс заблуждения, принимаемые за знания».

И, как ни парадоксально, такие заблуждения не только неизбежны, но и необходимы. Знанием, в котором есть явные пробелы, трудно пользоваться, оно не дает целостной картины изучаемых явлений. Эти пробелы и заполняются, до поры до времени, заблуждениями.

Таким образом, заблуждение — это своеобразное «временное знание», а точнее, «незнание, принимаемое за знание».

Разумеется, следует различать здравый смысл в житейском понимании как обобщение практического опыта человечества и здравый смысл, который определяется уровнем научных знаний.

Из чего складывался, к примеру, здравый смысл эпохи, когда возникла и утвердилась первая система мира — система Аристотеля — Птолемея? Чем располагала в те времена наука? Наблюдениями неподвижных звезд, суточного вращения небесной сферы и годовых петлеобразных движений планет. Это было знание. Но его недоставало для объяснения причин наблюдаемого и построения логически завершенной картины мира.

В результате видимое с Земли движение небесных тел было незаконно распространено и возведено в ранг всеобщей истины. Так возникло одно из самых великих и устойчивых заблуждений в истории человечества — представление о центральном положении Земли во Вселенной.

Но зато с помощью этого заблуждения удалось построить стройную модель мироздания, не только объяснявшую с единой точки зрения характер наблюдаемых перемещений небесных светил, но и позволявшую с точностью, вполне достаточной для тех времен, предвычислять будущие положения планет среди звезд.

Как мы теперь знаем, система мира Аристотеля — Птолемея и то соотношение между знанием и заблуждениями, которое она определила, были лишь одним из этапов познания природы. Но переход к следующему очередному этапу потребовал не только титанических усилий со стороны передовых умов человечества, но и преодоления жесточайшего сопротивления. И речь в данном случае идет не о сопротивлении со стороны церкви, для которой система Аристотеля — Птолемея была признанной единственной картиной мира, а о сопротивлении со стороны здравого смысла эпохи. Того самого здравого смысла, который, возводя привычные заблуждения в ранг знания, заставляет принимать новое знание за заблуждения…

Но в конце концов новое знание все же торжествует. Как известно, на смену системе Аристотеля — Птолемея пришло учение Коперника. С прежним заблуждением — геоцентризмом было покончено навсегда. Но и система Коперника, в свою очередь, содержала целый ряд заблуждений. Ее автор считал, что все планеты обращаются вокруг Солнца строго по окружностям и с постоянными угловыми скоростями. Коперник полагал также, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд.

Следующим шагом в познании мира явилось открытие Кеплером законов обращения планет вокруг Солнца. Кеплер показал, что планеты в действительности движутся по эллипсам и с переменной скоростью. Но в поисках причин этого движения Кеплер исходил из распространенного в то время заблуждения, что для поддержания равномерного прямолинейного движения необходимо постоянное действие силы. И он искал в Солнечной системе силу, «подталкивающую» планеты и не дающую им остановиться.

Вскоре и с этим заблуждением было покончено: Галилей открыл принцип инерции, а Ньютон — основные законы движения и закон всемирного тяготения. Эти открытия не только окончательно прояснили закономерности Солнечной системы, но и разрушили представления о сфере неподвижных звезд.

Классическая физика пришла к выводу, что все тела Вселенной существуют и движутся в бесконечном и безграничном пространстве.

Однако, в свою очередь, классическая физика Ньютона принесла с собой новое величайшее заблуждение: твердую уверенность в том, что все без исключения явления природы сводятся к чисто механическим процессам. Мы уже не говорим о таких «частных» заблуждениях, как «абсолютное пространство», «абсолютное время» и т. п.

Все вопросы мироздания представлялись с точки зрения классической физики вполне ясными и решенными бесповоротно и окончательно, как, впрочем, и почти все другие проблемы. Но и на этот раз достигнутая ясность оказалась обманчивой, а истина — куда более сложной, чем считалось во времена Ньютона.

Открытая в начале текущего столетия Эйнштейном теория относительности перевернула успевшие уже стать привычными ньютоновские представления о пространстве и геометрических свойствах Вселенной. При этом одной из главных заслуг Эйнштейна явилось установление глубокой органической связи между свойствами материи и геометрией пространства.

Новая очередная трансформация здравого смысла науки была довольно метко отражена в стихотворной форме:

Любопытно, что первое и второе двустишия принадлежат разным авторам и написаны с интервалом около 200 лет.

Разумеется, здесь верно лишь то, что от классических представлений о пространстве пришлось отказаться. Но это вовсе не означает, что теория относительности вернула науку к доньютоновским, аристотелевским временам. Новая физика явилась необычайно важным шагом к еще более глубокому пониманию строения окружающего нас мира…

И этот процесс изменения здравого смысла продолжается и сегодня и будет продолжаться и впредь… Потому что и наши современные знания о Вселенной отнюдь не являются истиной в последней инстанции.

Итак, здравый смысл в науке — явление относительное, временное, соответствующее уровню знаний данной эпохи. Поэтому ученым в их борьбе за все более глубокое познание мира приходится вести неизбежное сражение и с привычными представлениями, привычным здравым смыслом.

Что же касается наглядности, то чем дальше развивается наука, в особенности физика и астрономия, тем в большей степени мы отказываемся от всего того, что можно зримо себе представить. Это может не нравиться, даже раздражать, но от этого никуда не уйти.

Странный мир современной физики! Это новый мир, в котором очень многое трудно и даже невозможно наглядно себе представить, — мир не только современной физики, но и современной астрономии. Наука уже вступила на его извилистые и крутые дороги.

И следя за новыми поразительными открытиями, против которых нередко восстает наш здравый смысл, поскольку они не укладываются в привычные представления, мы никогда не должны забывать о том, что всякий здравый смысл неизбежно включает в себя и заблуждения.

От теории к теории

Как мы уже говорили, появление принципиально новых фактов, необъяснимых в рамках существующей теории, ведет к разработке теории более общей, которая «вбирает в себя» и прежние представления.

Как отмечает советский космолог А. Л. Зельманов, если в процессе познания оказывается, что какая-то группа закономерностей может быть выведена из закономерностей более общих, то это отнюдь не означает, что первые целиком сводятся ко вторым. У них имеется своя специфика. Другими словами, «выводимость» еще не есть простая «сводимость». Соотношение между частными и общими теориями значительно сложнее.

Рис. 3. Развитие познания от частной теории к общей.

Представим себе, что у нас есть две физические теории, из которых одна частная, другая более общая. Тогда область применимости частной теории лежит внутри области применимости общей. У этих теорий разные уравнения. И дело не только в том, что уравнения общей теории точнее. Если взять совокупности всех физических величин, входящих в те и другие уравнения, то окажется, что они неодинаковы. Есть некоторые величины, общие для обеих теорий. Но есть и разные — в уравнениях общей теории одни, в уравнениях частной другие.

Появление новых величин в более общей теории связано с применением новых понятий. При переходе от частной теории к общей выясняется, что сами понятия частной теории (именно понятия, а не уравнения) являются приближенными, отражают реальный мир лишь с определенной степенью точности. Новые понятия, применяемые в более общей теории, являются более точными.

Таким образом, при переходе от частной теории к общей происходит то, что называется ломкой понятий. Именно поэтому частная и общая теории качественно отличаются друг от друга.

Каким же образом в таком случае одна из них может быть частным случаем другой, вытекать из нее? Уравнения более общей физической теории содержат на одну мировую константу больше. Таких констант в настоящее время известно три: постоянная тяготения, так называемый квант действия, или постоянная Планка, и скорость света (обычно используется величина, обратная скорости света).

Так, например, уравнения классической механики Ньютона вообще не содержат мировых констант, а уравнения квантовой механики, частным случаем которой является механика Ньютона, содержат постоянную Планка.

Для того чтобы из общей теории получить частную, необходимо соответствующим образом преобразовать уравнения и перейти к пределу при стремлении «лишней» константы к нулю. Уравнения, которые мы получим в результате такого предельного перехода, будут не эквивалентны исходным. Те и другие качественно отличны друг от друга, в них входят разные величины, они имеют различный смысл.

Поэтому, если бы мы располагали только уравнениями частной теории и захотели провести обратную операцию, т. е. по уравнениям частной теории восстановить уравнения общей, нам не удалось бы этого сделать, так как по виду уравнений частной теории нельзя догадаться, какими должны быть уравнения общей теории. Для этого необходимы соображения более высокого порядка, например философские. Это утверждение, разумеется, не следует понимать в том смысле, что непосредственно из философских соображений можно выводить уравнения или получать другие конкретные физические результаты. Но философские принципы помогают определять наиболее перспективные пути развития науки, осуществлять выбор между различными возможными вариантами новых теорий.

Исторически переход от частной теории к общей — это революция, требующая принципиально новых, иногда «сумасшедших» идей, выработки новых понятий.

В качестве примера можно привести ньютонову теорию тяготения и общую теорию относительности. Первая оперирует евклидовым пространством и независимым от него временем; вторая рассматривает пространственно-временной континуум, обладающий неевклидовыми свойствами. Переход к этим принципиально новым понятиям явился революционным сдвигом в науке о тяготении.

Таким образом, частная и более общая теории являются качественно различными. И было бы точнее называть частную теорию не частным, а предельным случаем обшей теории.