По следам бесконечности

Когда Вселенной не было?

Шестого июня 1964 года на четвертой странице газеты «Комсомольская правда» под рубрикой юбилейного сотого выпуска «Клуба любознательных» была напечатана статья под необычным названием: «Когда Вселенной не было…»

Статья была подписана весьма авторитетными учеными — известным советским физиком-теоретиком академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем и его молодым сотрудником, тогда кандидатом, а ныне доктором физико-математических наук Игорем Дмитриевичем Новиковым. Речь шла о теории так называемой «расширяющейся Вселенной».

«…В некоторый момент в прошлом, — говорилось в статье, — плотность вещества Вселенной была бесконечной. Вся бесконечная Вселенная была точкой! Как ни трудно свыкнуться с таким представлением о прошлом мире, но большинство ученых считает, что расширение Вселенной началось с такого сверхплотного состояния. Больше того, можно назвать даже дату, когда наша Вселенная начала развиваться из точки…»

Через несколько дней сотрудница отдела писем выложила на стол заведующего отделом науки целую груду конвертов. Большинство авторов задавали вопросы по существу, интересовались подробностями, просили разъяснить непонятные места, справлялись о литературе.

Но были и такие, которые весьма озабоченно и даже с некоторой угрозой вопрошали: как же так? Что значит — когда Вселенной не было? Как понимать подобное утверждение? Уж не хотят ли уважаемые авторы статьи сказать, что в самом деле было такое время, когда Вселенной не существовало? Ведь это же чистой воды идеализм!.. Возрождение религиозных представлений о сотворении мира!..

Действительно, фраза «когда Вселенной не было…» звучит для нашего слуха несколько странно. Ведь слово «Вселенная» олицетворяет для нас мир, всю материю, все существующее.

Но если бы авторы негодующих писем заглянули в современную научную литературу по физике — их возмущение, вероятно, возросло бы многократно. Они встретили бы там и такие выражения, как «рождение» Вселенной, «возраст» Вселенной, «границы» Вселенной и т. п.

Однако на сей раз запал правоверных защитников атеизма, увы, пропал зря. Разумеется, и Зельдович, и Новиков, и другие советские ученые, работающие в области изучения Вселенной, отнюдь не меньшие материалисты, нежели авторы тревожных писем.

В чем же дело?

Действительно, на протяжении столетий астрономы фактически отождествляли понятие «Вселенная» с понятием «материя».

И в этом случае утверждение о начале Вселенной во времени действительно противоречило бы и фундаментальным законам физики, и одному из основных положений материализма о вечности материи.

Однако по мере развития естествознания и диалектико-материалистической философии, все отчетливее становится ясно, что наука не может изучать «всю материю», материю «саму по себе», во всем многообразии ее качеств и свойств, а объектом ее исследования являются лишь определенные аспекта, стороны, фрагменты материального мира. А это и означает, что Вселенная как объект научного исследования — не есть весь материальный мир, «Вселенная в целом». Впрочем, возможно, этот факт еще не скоро повлиял бы на изменение терминологии — терминология вещь довольно консервативная. Но тут сыграло роль одно обстоятельство.

В последние десятилетия астрономическая наука весьма тесно сблизилась с физикой — на передний план выдвинулось изучение физических процессов, протекающих в космосе. Не удивительно, что это новое многообещающее поле деятельности привлекло к себе внимание многих физиков, в особенности физиков-теоретиков. «Явившись» в астрономию, физики принесли с собой и свою привычную терминологию, и привычные способы описания явлений.

Вселенная для физика — это прежде всего тот объект, изучением которого он занимается в данный момент, теоретическую модель которого он может в настоящее время построить. И когда физик говорит «Вселенная», речь идет, так сказать, о «наблюдаемой Вселенной», чаще всего о нашей Метагалактике.

Но Метагалактика не обязательно весь мир, вся материя. Значит, она вполне могла иметь начало во времени и ни к каким идеалистическим или теологическим выводам это обстоятельство отнюдь не ведет. Так что тревога, поднятая авторами некоторых писем в «Комсомольскую правду», оказалась напрасной.

Но с другой стороны, вопрос о том, что же такое Вселенная с точки зрения современной космологии, представляет собой весьма сложную проблему. Проблему, которая имеет для космологии первостепенное значение.

Москва. Декабрь 1972 года. Конференц-зал Института философии Академии наук. Первый Всесоюзный симпозиум по философским проблемам астрономии. В центре внимания космология — наука о Вселенной в целом. На трибуне очередной докладчик — академик Г. И. Наан.

— Пятнадцать лет назад, — говорит он, — я знал в точности, что такое Вселенная и что такое космология, знал, что правильно и что неправильно. Теперь такой уверенности у меня нет и в помине.

Возможно, из полемических соображений академик несколько сгустил краски. Но в целом ситуация действительно такова. И в этом нет ничего плохого. Наоборот, как ни парадоксальна подобная ситуация, она свидетельствует о фундаментальном характере проблем, стоящих перед современной космологией. Например, академик Виталий Лазаревич Гинзбург считает, что принципиальными физическими проблемами являются именно те проблемы, которые обладают существенной неопределенностью.

— Космология, — подчеркнул Наан, — отличается существенной неопределенностью как объекта исследования, так и подходов к его изучению. А ее обобщения и экстраполяции нередко заходят весьма и весьма далеко. Возможно, это одна из причин распространенного недоверия к космологии.

Характерно, что такого мнения придерживаются многие другие крупные исследователи. Например, известный французский ученый Леон Бриллюэн в своей книге «Новый взгляд на теорию относительности» отнес космологию к области… научной фантастики.

Должно быть, подобные мнения возникают в какой-то мере как ответная реакция на некоторые действительно фантастические высказывания по космологическим вопросам. На симпозиуме произошел любопытный эпизод. Один из выступавших сообщил, что не так давно он прочитал в какой-то научной статье о том, что так называемое реликтовое излучение — это будто бы остаточное излучение, возникшее в будущем цикле развития звездной Вселенной, где течение времени должно быть обратным но сравнению с нынешним. На этом основании выступавший сделал вывод, что вообще к космологическим построениям следует относиться по меньшей мере с величайшей осторожностью.

После этого он посмотрел в сторону сидевшего за столом президиума академика Наана, известного своими работами по философским вопросам космологии, и с недвусмысленной улыбкой произнес:

— Надеюсь, я вас не задел?..

— Между прочим, недавно я тоже прочитал в одном журнале, — заметил в связи с этим академик Наан в своем докладе, — что спектры звезд, которые астрономы фиксируют на фотопластинках, в действительности таковыми не являются, так как спектральные наблюдения ведутся в ночное время, а в этот период, как известно, выпадает роса, которая и является подлинной создательницей «астрономических» спектров. Но было бы нелепо на основании подобного «утверждения» отказывать в доверии всей астрофизике.

Вообще отдельные неудовлетворительные или даже вовсе нелепые работы сами по себе не могут дискредитировать ту или иную область науки. Вероятно, таких работ намного больше, чем заслуживающих внимания. Невольно вспоминается одно из высказываний академика Л. Д. Ландау, отличавшегося сокрушительным остроумием:

— Плохие работы не портят науку. Если бы портили, то от науки давно ничего бы не осталось.

Но вернемся к космологии и к результатам космологических исследований. В какой же степени они заслуживают доверия?

Густав Иоганович Наан однажды остроумно заметил:

— Нередко говорят: «Космология доказывает, что Вселенная бесконечна (или конечна)». Но если отнестись к этому утверждению совершенно строго, то единственным вполне ясным словом во всей фразе является служебное слово «что». Что же понимается под «космологией», «бесконечностью», «доказательством» и «Вселенной», остается весьма неясным.

Все же попытаемся определить, что же такое космология и решением каких задач она занимается. Об этом на декабрьском симпозиуме говорил известный московский космолог А. Л. Зельманов.

Может быть, космология — это теория всей охваченной наблюдениями части Вселенной? Однако никакая часть Вселенной не может быть физически изолированной системой, а значит, и теорию любой части Вселенной нельзя строить без теоретического выхода за ее пределы.

Тогда, быть может, космология — это теория Вселенной как целого, то есть такой Вселенной, которая рассматривается во взаимоотношениях с любыми ее частями? Однако выводы подобной теории было бы абсолютно невозможно проверить наблюдениями. Наблюдениями можно проверить только выводы, относящиеся к той части Вселенной, которая доступна современным средствам астрономического исследования.

Так что же такое космология?

Для успешного ответа на этот вопрос, по мнению Зельманова, необходимо ввести различие между понятиями физического учения и физической теории. Учение — более общее понятие, чем теория. Теория — это такое учение, которое можно непосредственно проверить наблюдениями или экспериментами. Учение же может быть такой проверке и недоступно. В его основе могут лежать не конкретные факты или наблюдения, а основные физические теории и фундаментальные философские принципы.

Используя эту терминологию, Зельманов предложил следующее определение космологии:

«Космология есть физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной».

Непосвященному человеку может показаться, что идет никому не нужный спор о словах — и только: в конце концов ведь неважно, что и как называть, важны результаты. Но в том-то все и дело: чтобы получать успешные научные результаты, необходимо отчетливо представлять себе цели и задачи исследования, характер объекта или явления, которые подвергаются изучению. Иначе научный поиск неизбежно превратится в хаотическую азартную погоню за случайными открытиями.

Но если космология — это учение и, следовательно, ее выводы нельзя проверить наблюдениями, то где гарантия, что они отражают реальное положение дел? Может быть, все-таки прав Бриллюэн, и космология действительно не что иное, как научная фантастика?

Однако Зельманов считает, что проверочный критерий есть и для космологии. Этот критерий — практика. Практика в самом широком значении этого слова — как вся человеческая деятельность, включая создание и разработку научных теорий. А работает этот критерий так. Поскольку в основе космологии лежат основные физические теории, то при смене этих теорий теориями более общими, опирающимися на гораздо большее количество фактов, меняется и космология. Что-то в ней отбрасывается, что-то сохраняется и уточняется. Именно эти сохраняющиеся выводы и следует с достаточно большой степенью вероятности признать правильными.

Таково определение космологии, предложенное Зельмановым. Но и эта формулировка, к сожалению, не исключает той неопределенности объекта, о которой говорит академик Наан. Космология — учение о Вселенной. И мы снова приходим к тому же вопросу: а что такое Вселенная? Какой объект мы имеем в виду, произнося это слово? Какую именно материальную систему мы изучаем, решая вопрос о пространственной бесконечности или конечности Вселенной?

Казалось бы, самое простое решение вопроса — договориться о том, что «Вселенная — это все существующее». Такой точки зрения придерживался в свое время и сам академик Наан:

— Вселенная, с одной стороны, охватывает все в наиболее буквальном значении этого слова, с другой же стороны, Вселенная — это нечто сугубо единичное, она, как говорил Пуанкаре, «издана лишь в одном экземпляре»… Наиболее общие черты Вселенной в то же время являются и ее индивидуальными чертами — других Вселенных ведь нет.

Итак, «все существующее»?.. Но, как совершенно справедливо подчеркивает московский философ Вадим Васильевич Казютинский, термин «существование» в достаточной степени многозначен. И следует уточнить, о каком же «существовании» идет речь в астрономии?

Скажем, можно было бы считать существующим то, что удается непосредственно наблюдать с помощью современных средств научного исследования.

В сравнительно недалеком прошлом это была бы «звездная» Вселенная, то есть фактически наша Галактика, а в настоящее время, когда нам известны и другие галактики, — часть «Большой Вселенной», Метагалактика.

Но современная физика уже убедила нас в том, что наблюдаемость — ненадежный критерий существования. Например, одним из основных представлений квантовой электродинамики является представление о так называемых виртуальных частицах, которые окружают любую реальную частицу, возникая и тут же исчезая, — о частицах, которые одновременно и существуют и не существуют. Никто и никогда непосредственно виртуальные частицы не наблюдал. Однако в природе все происходит так, как если бы они реально существовали.

А в астрономии? Достаточно хотя бы того, что из-за конечной скорости распространения электромагнитных волн мы все космические объекты наблюдаем с запаздыванием — тем более значительным, чем дальше они находятся. Скажем, всем известная Полярная звезда расположена на расстоянии 460 световых лет, значит, мы видим ее такой, какой она была около пяти веков назад. Можно ли при таких условиях безоговорочно утверждать, что она существует, на основании того, что мы ее наблюдаем сегодня?

Вероятно, все же существует, поскольку за 460 лет со звездой такого типа вряд ли может произойти что-либо кардинальное. И все же это только вероятность. А ведь нам известны и нестационарные космические объекты, где глубокие качественные изменения происходят в сравнительно короткие промежутки времени, буквально в течение нескольких лет. Как быть с ними?

— Встречаются порой люди, — саркастически заметил американский физик-теоретик лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман, — утверждающие, что они могут узнавать будущее. На самом же деле ни один провидец будущего не способен узнать даже настоящее! Нам никто не скажет, что сию минуту происходит достаточно далеко от нас, потому что это ненаблюдаемо.

Возможны и еще более сложные ситуации. Одним словом, наблюдаемость как критерий существования для астрономии мало пригодна.

— Правильнее исходить из другой идеи, — утверждает А. Л. Зельманов, — согласно которой во Вселенной осуществляется все многообразие физических условий и явлений, допускаемых основными физическими теориями.

Но ведь это значит, что различным физическим теориям могут соответствовать разные картины Вселенной, так сказать, разные «теоретические Вселенные».

Таким образом, мы приходим к выводу, что Вселенная, которую изучают физики и астрономы, — это не весь материальный мир, а та его часть, которая выделяется определенными наблюдательными и теоретическими средствами, то есть определенный аспект «всего существующего», соответствующий достигнутому уровню развития науки. Но так как и средства астрономических наблюдений, и научные теории постоянно развиваются, то вместе с тем может изменяться и то, что мы называем Вселенной.

Примерно к такому выводу и приходит В. Казютинский.

Аналогичной точки зрения придерживается и московский философ профессор Э. М. Чудинов.

— Релятивистские вселенные, — говорит он, — правильнее было бы считать идеализированными конструкциями, которые схематично и с определенной для данного этапа развития науки степенью точности и полноты отражают материальный мир.

— Конечно, какое-то разделение понятий, — заметил по этому поводу А. Зельманов, — которое отражало бы тот факт, что мы изучаем и наблюдаем лишь некоторую часть «всего существующего», можно провести. Но если уж проводить терминологические разграничения, то, на мой взгляд, следовало бы поступать как раз наоборот. То есть все существующее называть «вселенной», а изучаемую область «миром». Если уж приводить термины в соответствие с их фактическим употреблением, то нельзя не учитывать, что под «миром» люди в большинстве случаев понимали нечто меньшее, чем вселенную. Миром человек называл ту часть Вселенной, где он живет, — не только Солнечную систему или Землю, но даже село. Вспомните поговорку «на миру и смерть красна».

Впрочем, Зельманов считает, что и такое решение вопроса имеет свои отрицательные стороны. Дело в том, что было время, когда некоторые философы и астрономы считали, что космология как наука о Вселенной в целом вообще не имеет права на существование. Они утверждали, что какое бы то ни было распространение известных нам данных, полученных на основе изучения ограниченной области мира, на всю Вселенную — принципиально недопустимо. Но в конце концов космология все же утвердила свое право на существование и в последние годы добилась немалых успехов.

— У меня возникают опасения, — с тревогой говорит Зельманов, — как бы все эти терминологические уточнения не исказили существо дела.

Действительно, согласно определению Зельманова, космология — это наука, объектом исследования которой является Вселенная как целое, то есть именно весь мир.

Другой вопрос, что различные модели отражают разные стороны и аспекты реального мира, выделяя из него ту или иную совокупность процессов и явлений. И эти модели могут служить объектами самостоятельного исследования. Но исходный объект — реальный мир — все же один-единственный. Наши представления о нем могут меняться, но сам он существует и обладает определенными свойствами независимо от наших исследований.

По Существу, речь идет о праве науки изучать Вселенную как целое.

Однако и то, и другое понимание Вселенной не свободны от некоторых трудностей и противоречий.

В частности, если рассматривать Вселенную как целое, то не исключено, что, поскольку речь идет о столь всеохватывающем объекте, для него вообще нельзя сформулировать достаточно точное, полное и непротиворечивое определение.

Как мы уже знаем на опыте теории множеств, всеобъемлющие совокупности каких-либо объектов принципиально отличаются от конечных множеств тех же объектов. И попытки распространить на них уже известные закономерности, применить к ним обычные логические средства неизменно приводят к глубоким противоречиям.

Не так ли обстоит дело и с попытками определить, что же такое Вселенная?

Таким образом, относительно понятия «Вселенная» среди философов, физиков и астрономов полное согласие пока не достигнуто.

Вопрос остается открытым — он требует дальнейшего осмысления и уточнения.

И все же большинство современных исследователей, применяя этот термин с теми или иными нюансами, фактически ведут речь о некоторой области процессов и явлений, выделенной определенными научными средствами.

Именно относительно такой Вселенной и ставится вопрос о конечности или бесконечности. И уже другой вопрос, совпадает ли такая Вселенная, например, Метагалактика, со всем существующим или за ее пределами находятся и другие метагалактики.

И в такой постановке вопроса нет, разумеется, никакого посягательства на право космологии строить теоретические концепции мира в целом, выходящие сколь угодно далеко за рамки «наблюдаемой Вселенной». Не следует только упускать из вида, что любая такая «теоретическая Вселенная» никогда не станет полностью завершенным «изображением» реального мира. Дальнейшие исследования с неизбежностью будут его дополнять и углублять.

Вселенная и бесконечность

Итак, мы обсудили, что следует подразумевать под термином «Вселенная».

Теперь второй вопрос: что значит бесконечность Вселенной? Или — ее конечность?

И можно ли вообще сказать что-либо определенное о бесконечности, если речь идет о бесконечности пространства и времени? Ведь одно дело оперировать с математическими символами, отражающими свойства бесконечных множеств вообще, и совсем другое дело изучать конкретную реальную бесконечность реальной Вселенной.

Да и можно ли изучать Вселенную как целое вообще — изучать то, что нельзя ни наблюдать, ни измерить?

И что значит изучать? Разве не достаточно постараться найти ответ хотя бы на вопрос — конечна Вселенная или бесконечна?

Но почему именно на этот вопрос? И существует ли вообще на него ответ? Может быть, и вопрос поставлен неправильно, некорректно?..

Что происходило в математике? Люди заинтересовались бесконечностью. Прежде всего им хотелось узнать, существует она или нет, достигается или не достигается.

Потом их внимание привлекла необычность бесконечности, ее особые свойства, которые заставляли задуматься о том, что природа сложнее наших обыденных представлений, побуждали мыслить смелее, не боясь переступить рамки привычного.

Но самым важным был следующий шаг, когда люди стали оперировать с бесконечностью, изучать ее свойства, раскрывать ее закономерности…

Значение этого шага было не только в том, что он явился очередным этапом в развитии математики. С одной стороны, он позволил подвести стройный логический фундамент под все здание математической науки, а с другой — поставил целый ряд принципиально новых проблем. И те усилия, которые были предприняты для их решения, привели к возникновению новых плодотворных ветвей математики, способствовали более глубокому пониманию картины мира, утверждению более прогрессивного стиля научного мышления.

Таков путь. Таков итог. То, с чем пришла математика к восьмому десятилетию XX века.

Много сходного и в истории изучения проблемы бесконечности Вселенной. Об отдельных ее этапах и проблемах — речь впереди. Важна цель.

Видимо, дело не только в том (так по крайней мере подсказывает опыт математики), чтобы ответить на вопрос, конечна Вселенная или бесконечна, хотя это очень и очень важно. Но не менее важно выяснить, что за всем этим стоит, какие свойства материи, какие особенности строения окружающего мира. А это, в свою очередь, необходимо не только для того, чтобы просто больше знать и больше уметь, но прежде всего для того, чтобы сам человек как разумное существо поднялся на новую более высокую ступень своего развития.

В конце концов именно таков итог фундаментальных научных свершений, даже независимо от количества чисто практических приложений, которые они повлекли за собой.

Таково положение вещей с позиций, так сказать, большой философии. И это вполне естественно. Ведь не случайно же философия всегда интересовалась бесконечностью, справедливо видя в ней одно из самых ярких проявлений диалектики природы.

Но если так, то, может быть, философия, диалектический материализм, способна дать по проблеме бесконечности Вселенной и какие-то конкретные рекомендации? Скажем, наметить пути, установить какие-то критерии, определить, что возможно, а чего в природе быть не может ни при каких обстоятельствах?

И тут мы подошли к вопросу, который имеет для развития науки отнюдь не умозрительное значение.

Декабрь 1970 года. Москва. Зал заседаний Дома ученых. Второе Всесоюзное совещание по философским проблемам современного естествознания. Событие, отнюдь не рядовое, если учесть, что за всю историю советской науки подобных совещаний было всего только два и с той поры, когда состоялось первое, прошло довольно много времени.

В числе основных докладчиков философы Копнин, Омельяновский, Казютинский, ученые-естественники Амбарцумян, Блохинцев, Фок, Дубинин, Анохин, Берг. Астроном, физики, генетик, физиолог, кибернетик…

Случайность?

— Хочу отметить, — подчеркнул выступавший с первым докладом академик Амбарцумян, — что за последние годы союз философов и естественников существенно укрепился. Теперь уже все считают, что решать те или иные конкретные проблемы могут только конкретные науки на основе изучения свойств реального мира. Попытки путем чисто логических рассуждений выводить из философских идей конкретные естественнонаучные результаты в настоящее время справедливо отброшены.

Непосвященному этот пассаж покажется загадочным намеком. На самом же деле все очень просто. Амбарцумян имел в виду то обстоятельство, что было время, когда некоторые философы, не поспевая за стремительным развитием естествознания, упрямо защищали устаревшие представления и о своем месте в процессе познания, и о взаимоотношениях между философией и естественными науками.

Между тем Ф. Энгельс еще на заре формирования физики, химии, биологии, которые позже обогатились поразительными открытиями, обращал внимание на изменения, вызванные этими науками в философии. «…Это вообще уже больше не философия, — говорил он, — а просто мировоззрение, которое должно найти себе подтверждение и проявить себя не в некоей особой науке наук, а в реальных науках. Философия, таким образом, „снята“, т. е. „одновременно преодолена и сохранена“, преодолена по форме, сохранена по… содержанию»[8].

Наконец еще раз напомним, что В. И. Ленин, защищая выдающиеся достижения естествознания от попыток истолковать их с идеалистических позиций, прямо подчеркивал, что диалектический материализм сам меняет свой вид с каждым великим научным открытием.

В настоящее время подавляющее большинство советских философов, работающих в области естествознания, всячески стремится к самому тесному контакту с представителями естественных наук, к совместному решению наиболее сложных, принципиальных проблем.

Да иначе и быть не может.

«…Естествознание прогрессирует так быстро, — писал В. И. Ленин, — переживает период такой глубокой революционной ломки во всех областях, что без философских выводов естествознанию не обойтись ни в коем случае»[9].

Именно в те периоды, когда происходит смена научных взглядов, когда привычные представления уступают место принципиально новым идеям, с особенной яркостью и отчетливостью проявляется тесная связь между естествознанием и философией.

«Конец натурфилософии, разумеется, не означает, что природа перестала быть объектом философского мышления, — говорит один из ведущих советских философов академик П. Федосеев. — Так могут ставить вопрос позитивисты, а не сторонники материалистической диалектики. Воспроизведение общей картины мира в свете современной науки — это непременная обязанность философов-марксистов. Наиболее общие законы развития бытия и мышления, в том числе, стало быть, и общие законы познания природы, были и остаются предметом материалистической диалектики. Мы считаем бесспорным, что есть диалектика природы, есть философия естествознания или, как мы чаще сейчас называем, философские проблемы естествознания. Но мы отрицаем натурфилософию в специфическом смысле — именно как метод решения естественнонаучных проблем путем философских умозаключений взамен специальных наук».

Но если в прошлом периоды революционных преобразований в науке были разделены десятилетиями, а иногда и столетиями, то в паше время наука развивается столь стремительно, что изменения существующих представлений происходят чуть ли не непрерывно, непрерывно генерируются все новые и новые идеи. И все это сливается в единый процесс — всеобщую научно-техническую революцию.

Возрастает и роль философии в развитии естествознания. Это вовсе, разумеется, не значит, что философия должна решать конкретные естественнонаучные задачи в тех случаях, когда их почему-либо еще не смогли решить физика, астрономия, математика и другие точные науки.

Но, с другой стороны, значение философии для развития естествознания не ограничивается и тем, что она дает естественным наукам методологию научного исследования. Философия диалектического материализма освещает путь развития науки. И прежде всего ее эвристическая роль сказывается при формулировании новых идей.

Дело в том, что в науке нередко складываются такие ситуации, когда вновь открываемые факты не дают сами по себе достаточных оснований для их однозначного истолкования. Подобные факты часто оказывается возможным объяснить исходя из противоположных представлений. Вот в таких-то случаях особенно необходим философский анализ, помогающий выбрать наиболее перспективное направление исследований, оценить эффективность тех или иных идей, а иногда и подсказать новые.

Союз философии и естествознания! Он особенно важен в такой фундаментальной науке, как наука о Вселенной, изучающей наиболее глубокие и всеобъемлющие закономерности окружающего нас мира. И этот творческий союз с каждым годом становится все теснее. Все чаще и чаще собираются советские философы, астрономы, физики на совместные совещания, семинары, симпозиумы, чтобы обсудить друг с другом наиболее сложные проблемы, наметить пути дальнейших исследований.

И одной из проблем, которая не раз подвергалась совместному обсуждению философов, астрономов и физиков, является проблема бесконечности Вселенной.

В частности, на протяжении ряда лет последовательно развивает принципиально новый подход к этой проблеме эстонский академик Густав Иоганнович Наан.

В нашем распоряжении нет какого-то окончательно установленного понятия бесконечности — такова исходная позиция ученого.

Само это понятие непрерывно развивается, всегда лишь приблизительно отражая реальную бесконечность.

«Проблема бесконечности состоит не в том, — подчеркивает академик, — соответствует ли Вселенная тому или иному из наших эталонов бесконечности, а в том, насколько наш непрерывно совершенствуемый эталон бесконечности соответствует различным аспектам реальной бесконечности Вселенной».

Таким образом, как совершенно справедливо считает философ Л. Баженов, речь должна идти не только о том, бесконечен ли мир, но и о том, что эта бесконечность собой представляет.

На первых страницах этой книги мы уже касались истории развития представлений о бесконечности Вселенной.

Теперь пришло время познакомиться с этим вопросом более подробно.

От Аристотеля до Эйнштейна

Как уже говорилось, древнегреческие мыслители пытались решить вопрос о геометрических свойствах Вселенной чисто умозрительно, исходя из обыденных, наглядных представлений об окружающем.

Когда же Аристотель построил свою геоцентрическую систему мира, впервые появилась возможность делать выводы о конечности или бесконечности Вселенной, исходя из естественнонаучных данных того времени.

Согласно системе Аристотеля, все небесные светила обращаются вокруг Земли и притом с одинаковой угловой скоростью, совершая один оборот в сутки. Значит, чем дальше расположено от Земли то или иное небесное тело, тем большей линейной скоростью оно должно обладать. Ведь чем дальше, тем больше длина той окружности, которую планета или звезда должна описать в течение суток.

Если предположить, что существуют звезды, которые находятся на бесконечно больших расстояниях от Земли, то они должны перемещаться в пространстве с бесконечно большими скоростями.

Принцип запрета сверхсветовых скоростей в то время, разумеется, не был еще известен. Но интуиция подсказывала, что реальные тела не могут перемещаться с бесконечно большой скоростью. К тому же Аристотель, как мы уже отмечали, а вслед за ним и большинство мыслителей последующих эпох, не признавали актуальной, то есть осуществившейся бесконечности.

Таким образом, из картины мира, нарисованной Аристотелем, с неизбежностью следовал вывод о конечности мира. К подобному заключению Аристотеля приводили и некоторые соображения чисто физического порядка. К ним мы еще вернемся.

Вывод о конечности мира сохранил свою силу и по отношению к гелиоцентрическому учению Коперника с той лишь разницей, что центром обращения всех небесных тел стало теперь Солнце.

Сейчас нам ясно, в чем ошибочность подобных рассуждений. Все дело в том, что и Солнце вовсе не является центром мира, как считал Коперник, а лишь центром нашей Солнечной системы. Но во времена Коперника вывод об ограниченности Вселенной казался неопровержимым.

Первым, кто усомнился в этом и широко провозгласил идею бесконечности Вселенной, был Джордано Бруно.

«…Вселенная не имеет предела и края, но безмерна и бесконечна…» — писал великий итальянский мыслитель в своих знаменитых «Диалогах».

В безграничности Вселенной Бруно видел возможность освобождения человеческого духа от сковывавших его в мрачную эпоху средневековья всяческих границ, которые невольно отождествлялись для него с «небесной твердью».

писал Бруно в одном из своих сонетов.

Однако выводы Бруно не носили физического или астрономического характера, а были основаны на общих соображениях философского толка.

Естественнонаучное обоснование этих идей попыталась дать физика Ньютона. Из основных законов классической механики следует, что любая конечная система материальных частиц или тел должна в результате взаимного притяжения собраться к одному общему центру. Таким образом, с точки зрения физики Ньютона сколько-нибудь устойчивая конечная материальная Вселенная просто не может существовать.

А поскольку она существует и не собирается к одному центру, значит, она бесконечна.

Вопрос казался вполне ясным и решенным бесповоротно и окончательно, как, впрочем, и все другие проблемы, получившие описание в рамках классической физики.

— Сегодня можно смело сказать, — оптимистически заявил на рубеже XIX и XX столетий один из авторитетнейших физиков того времени англичанин Вильям Томсон (лорд Кельвин), — что грандиозное здание физики — науки о наиболее общих свойствах и строении неживой материи, о главных формах ее движения — в основном возведено. Остались мелкие отделочные штрихи.

Казалось, выводы классической физики Ньютона о бесконечности мира находят себе убедительное подтверждение и в астрономических наблюдениях.

С развитием методов изучения Вселенной ученым удалось установить, что звезды находятся от нас на разных расстояниях. И тем самым возможная «граница мира» значительно отодвинулась.

Прошло еще некоторое время, и оказалось, что окружающие нас звезды образуют обособленную звездную систему — Галактику. Были определены размеры этого звездного острова: выяснилось, что его протяженность составляет около 100 тысяч световых лет.

Затем были открыты другие галактики, удаленные от нашей на огромные расстояния. От одной из ближайших галактик — знаменитой туманности Андромеды, световой луч преодолевает расстояние до Земли за 2 миллиона световых лет!

По мере дальнейшего совершенствования методов астрономических наблюдений ученые открывали все новые и все более далекие космические объекты. Казалось, это может служить свидетельством бесконечной протяженности Вселенной, подтверждающим картину мира классической физики XIX столетия.

восторженно возглашала эпиграмма того времени.

Но, как это нередко случается в науке, достигнутая ясность оказалась обманчивой, а истина — куда более сложной, чем представлялось последователям Ньютона.

Разработанная в начале текущего столетия Альбертом Эйнштейном теория относительности перевернула уже успевшие стать привычными ньютоновские представления о пространстве и времени и заставила еще раз пересмотреть вопрос о бесконечности Вселенной.

Великая теория

Вероятно, не требует особых доказательств тот факт, что великие научные открытия подготавливаются эпохой, всем предшествующим ходом развития естествознания.

Недаром история знает так много случаев параллельных открытий, когда ученые, работающие в разных странах и совершенно ничего не знающие о результатах друг друга, одновременно приходят к установлению одних и тех же новых научных фактов.

В начале XX столетия идеи теории относительности, можно сказать, носились в воздухе. На них естественным образом наталкивали экспериментальные факты и прежде всего знаменитый опыт Майкельсона, который вопреки классической физике показал, что скорость света не зависит от движения источника излучения. К ним подводила и внутренняя логика развития самой физики. В частности, неограниченную веру в непогрешимость классической картины мира подрывали такие события, как открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также открытие радия, а в области теории революционная идея Макса Планка о прерывистом характере теплового излучения.

Новые мысли высказывали многие.

Еще в 1895 году голландский физик Г. Лоренц, пытаясь объяснить результат опыта Майкельсона и опираясь на идеи английского исследователя Фицжеральда, высказал предположение о том, что быстродвижущиеся тела испытывают сокращение в направлении своего движения. Впоследствии это явление получило название «Лоренцова сокращения».

Для математического описания этого явления Лоренц изобрел преобразование, которое через несколько лет стало важной составной частью теории относительности и получило имя своего изобретателя.

Аналогичное преобразование нащупал и выдающийся русский физик Умов.

Анри Пуанкаре на основании опыта Майкельсона высказал предположение о предельном характере скорости света.

Но Лоренц в своих работах интересовался только электрическими явлениями. А Пуанкаре вполне допускал, что результат опыта Майкельсона может быть опровергнут последующими измерениями, да и вообще занимался главным образом математической стороной дела.

Впрочем, Пуанкаре, блестящий исследователь, талантливый математик и физик, глубокий, гибкий и смелый ум, ученый, способный к широким обобщениям, был очень близок к созданию теории относительности. Но ему помешали его философские воззрения. Пуанкаре считал, что математика и геометрия свободны от опыта, что любая область явлений может быть описана бесчисленным множеством различных эквивалентных друг другу логически безупречных теорий. К тому же Пуанкаре придерживался той точки зрения, что человеческий ум должен стремиться к освобождению от «тирании внешнего мира». Поэтому среди различных теорий ученый выбирает ту, которая представляется ему наиболее удобной. И Пуанкаре, стоявший буквально «на пороге» теории относительности, так и не сделал решающего шага. И, скорее всего, не сделал именно потому, что этот шаг, по его мнению, должен был привести отнюдь не к самой «удобной» теории.

Однако при этом Пуанкаре упускал самое главное: то, что решающее значение имеет не удобство научной теории, а ее соответствие реальной действительности.

Чтобы объединить все новые идеи и факты в единую физико-математическую теорию, надо было не только решиться поднять руку на традиционные научные представления и на здравый смысл, по и увидеть за новыми удивительными фактами действительные свойства реального мира.

Человеком, способным выполнить эту задачу, оказался Альберт Эйнштейн (1879–1955).

Можно не сомневаться в том, что, не будь Эйнштейна, теория относительности все равно появилась бы. Наш век породил немало блестящих физиков-теоретиков. Но в этот период всеми необходимыми качествами для разработки принципиально новой революционной физической теории обладал именно Эйнштейн. Определенную роль, разумеется, сыграли не только личные особенности и оригинальный талант ученого, но и благоприятное стечение обстоятельств.

Интерес к познанию природы проявился у будущего «великого преобразователя естествознания», как назвал его В. И. Ленин, еще в детстве.

Мальчику было всего около пяти лет, когда его поразило поведение магнитной стрелки компаса, которая поворачивалась как бы сама собой, а не вследствие прямого воздействия.

— Я помню еще и сейчас, — или мне кажется, что я помню, — что этот случай произвел на меня глубокое и длительное впечатление, — рассказывал Эйнштейн уже в зрелом возрасте. — За вещами должно быть что-то еще, глубоко скрытое.

Ценнейшее качество исследователя — уметь видеть в обычном необычное. А для этого он, как это ни покажется странным, должен обладать способностью удивляться. Эта способность, но мнению известного советского физика академика Мигдала, необходима физику или математику не меньше, чем художнику или поэту.

Не зря Альберт Эйнштейн не раз подчеркивал, что ему посчастливилось повзрослеть, прежде чем он потерял способность удивляться.

Случай с компасом уже с детства подтолкнул Эйнштейна к размышлениям о «пустом» пространстве и его скрытых свойствах. И, возможно, впоследствии, при создании общей теории относительности, сказались и эти детские переживания.

Но, может быть, самую важную роль в выборе Эйнштейном своего научного пути сыграл учебник геометрии, с которым он познакомился в двенадцатилетнем возрасте:

— Я пережил еще одно чудо, — вспоминал Эйнштейн. — Источником его была книжечка по эвклидовой геометрии на плоскости.

Вскоре Эйнштейн заинтересовался и научно-популярной литературой и, благодаря этому, познакомился с многими животрепещущими проблемами естествознания того времени.

Существенную роль в формировании Эйнштейна как ученого и мыслителя несомненно сыграл и рано проявившийся интерес к философским проблемам и связанное с этим самостоятельное ознакомление с трудами многих выдающихся философов.

— Я скорее философ, чем физик, — неоднократно говорил Эйнштейн своему ближайшему сотруднику Леопольду Инфельду.

Уже с шестнадцати лет он начал задумываться над вопросом о скорости распространения света, а затем и над результатами опыта Майкельсона.

— Нет сомнения, — писал впоследствии Эйнштейн Бернарду Джеффу, — что опыт Майкельсона оказал значительное влияние на мою работу, поскольку он укрепил мою уверенность в правильности принципа специальной теории относительности. С другой стороны, я был почти полностью убежден в правильности этого принципа еще до того, как узнал об эксперименте и его результате.

Решающим и одним из наиболее плодотворных периодов в жизни Эйнштейна было время, когда, окончив Цюрихский политехникум, он устроился на работу в Берн в качестве технического эксперта патентного бюро.

«Составление патентных формул, — писал он спустя много лет, — было для меня благословением. Оно заставляло много думать о физике и давало для этого повод. Кроме того, практическая профессия — вообще спасение для таких людей, как я: академическое поприще принуждает молодого человека беспрерывно давать научную продукцию, и лишь сильные натуры могут при этом противостоять соблазну поверхностного анализа».

В 1905 году Эйнштейн опубликовал несколько статей в журнале «Анналы физики». В одной из них и была изложена частная, или специальная, теория относительности.

В основу этой теории Эйнштейн положил два фундаментальных постулата: принцип независимости скорости света от движения источника и утверждение о том, что все без исключения физические явления протекают совершенно одинаково во всех системах, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Любопытно, что оба этих положения являются обобщением научных фактов, которые были известны и ранее— принципа относительности Галилея[10] и результата опыта Майкельсона.

Факты-то сами по себе были известны, но им придавалось ограниченное значение, и до Эйнштейна никто не решился принять их в качестве основополагающих, универсальных постулатов и построить на этом всеобъемлющую теорию.

Специальная теория относительности — это не только теория быстрых движений, позволяющая рассчитывать явления, происходящие при околосветовых скоростях. Это, по существу, принципиально новый взгляд на мир, резко отличающийся от классических представлений.

После появления теории Эйнштейна стало ясно, что окружающая природа устроена далеко не так просто, как кажется, что реальные явления могут противоречить нашим привычным представлениям.

Например, оказалось, что такие фундаментальные физические характеристики, как «масса», «длина» и «длительность», казавшиеся абсолютными и неизменными, в действительности относительны. С увеличением скорости движения масса любого тела растет, длины укорачиваются, а течение времени замедляется. Масса какого-нибудь протона, летящего со скоростью, приближающейся к световой, может, в принципе, превзойти массу целой галактики. Более того, выяснилось, что одни и те же физические процессы могут в одно и то же время протекать по-разному в зависимости от условий, в которых находится наблюдатель.

Специальная теория относительности была принципиально важным шагом в понимании свойств пространства и времени.

— Отныне пространство само по себе и время само по себе должны стать тенями и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность, — заявил известный математик Герман Минковский, лекции которого в свое время посещал студент Эйнштейн.

Минковский предложил использовать для математического выражения зависимости пространства и времени геометрическую модель — четырехмерное пространство-время. В этом пространстве но трем основным осям откладываются, как обычно, интервалы длины, по четвертой же оси — интервалы времени.

Разумеется, никакого четвертого пространственного измерения в нашем мире не существует. И все же было бы неверно думать, что четырехмерное пространство-время теории относительности — всего лишь формальный математический прием, позволяющий удобно описывать определенные физические процессы. Четырехмерное пространство-время отражает глубокие реальные связи между пространством и временем.

И поскольку это так, свойства четырехмерного пространства-времени нельзя не принимать во внимание при решении вопроса о пространственной бесконечности Вселенной.

Создание специальной теории относительности явилось революцией в физике, не меньшей по своему значению, чем коперниковская революция в астрономии.

Надо было обладать огромной научной смелостью и богатейшим воображением, чтобы не только усомниться в наиболее фундаментальных основах физики того времени, но и предложить принципиально новую теорию, не только опровергающую всеобщность и непогрешимость этих представлений, но и противоречащую обыденному здравому смыслу.

Видимо, уже при разработке специальной теории относительности существенную роль сыграл один из методических принципов Эйнштейна, которым он неизменно руководствовался до конца своих дней.

Это — «принцип постоянного сомнения». Великий физик был непримиримым противником всякого самодовольства и кичливости в вопросах научного познания, он всегда восставал против некритической веры в достижение «окончательных» результатов исследования природы.

«Им кажется, что я в таком удовлетворении взираю на итог своей жизни, — писал Эйнштейн вскоре после своего семидесятилетия 28 марта 1949 года другу своей юности Соло. — Но вблизи все выглядит совсем иначе. Там нет ни одного понятия, относительно которого я был бы уверен, что оно останется незыблемым, и я не убежден, нахожусь, ли вообще на правильном пути…»

Он также любил говорить:

— Всякий, кто попытается выступить в качестве авторитета в области Истины и Познания, потерпит жалкое фиаско под хохот богов.

Далеко не каждый исследователь природы в состоянии следовать этим мудрым принципам.

— Мало кто способен невозмутимо высказывать мнения, идущие вразрез с предрассудками окружающей среды, — был один из афоризмов Эйнштейна. — Большинство даже неспособно вообще прийти к таким мнениям.

Сам Эйнштейн обладал обеими этими способностями в полной мере.

И еще одна немаловажная черта Эйнштейна-исследователя. В отличие от многих физиков, целиком живущих в мире своих идей и порой не замечающих окружающего, он любил и понимал природу и умел ею наслаждаться. И удивлялся отсутствию этих качеств у других ученых.

— Мы провели вместе с семьей Кюри несколько дней отпуска в Энгодине, — рассказывал он, — но мадам Кюри ни разу не услышала, как поют птицы.

Значительное место в жизни великого физика занимала и музыка, любовь к которой он унаследовал от своей матери.

Должно быть, способность на время отвлекаться от очередных научных проблем, предоставляя тем самым свободу для плодотворной работы подсознания, так же необходима теоретику, как и умение сосредоточиваться на решении той или иной задачи, отрешаясь от всего окружающего.

Разумеется, все это лишь отдельные штрихи, не способные в полной мере воссоздать образ великого ученого. Но они, быть может, в какой-то мере поясняют, почему именно Эйнштейну оказалась по плечу грандиозная задача построения новой физики.

Изучение свойств пространства-времени стало одним из тех звеньев, которые привели Эйнштейна к созданию еще одной принципиально новой теории, получившей название общей теории относительности, теории, которая, по существу, занимается изучением геометрических свойств Вселенной.

Работа Эйнштейна «Основы общей теории относительности» объемом всего около 50 страниц была напечатана в начале 1916 года в «Анналах физики».

Это исследование по праву считается вершиной научной мысли физики первой половины XX века.

Хотя специальная и общая теория относительности и занимаются, казалось бы, различными вопросами, в идейном отношении в них много сходного.

Подобно специальной, общая теория относительности разрушает привычные классические представления об абсолютном характере некоторых фундаментальных физических понятий — на этот раз пространства и времени.

Однажды какой-то газетный репортер обратился к Эйнштейну с просьбой изложить суть его теории в одной фразе и так, чтобы это было понятно широкой публике.

— Раньше полагали, — немного подумав, ответил Эйнштейн, — что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время.

Между двумя теориями, о которых идет речь, есть и другое сходство: в основу общей теории относительности тоже положен некий исходный постулат, представляющий собой обобщение известного экспериментального факта — равенства гравитационной и инертной массы любого тела[11].

Этот факт был обобщен Эйнштейном в так называемый «принцип эквивалентности»: «невозможно отличить силу тяжести от силы инерции». А следовательно, движение в поле тяготения — равносильно свободному движению по инерции.

Если специальная теория относительности описывает физические процессы, протекающие в системах отсчета, движущихся относительно друг друга только равномерно и прямолинейно, то общая теория относительности снимает это ограничение. Ее уравнения справедливы и для систем отсчета, движущихся с ускорением.

На первый взгляд может показаться, что в основном исходном утверждении общей теории относительности заключено противоречие. Ведь хорошо известно, что движение но инерции — равномерно и прямолинейно, а движение под действием силы тяготения — ускоренно.

Да, с точки зрения классической физики все так и есть. Но дело в том, что согласно общей теории относительности все события, в том числе и движение тел, происходят не в обычном эвклидовом пространстве, а в искривленном пространстве-времени.

Любое материальное тело не просто находится в пространстве, но определяет его геометрические свойства, которые зависят, таким образом, от распределения масс. Вблизи любых тел пространство искривляется. Благодаря этому лучи света распространяются во Вселенной не по прямым, а по изогнутым линиям. В повседневной жизни мы этого практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими расстояниями и незначительными массами. Однако при переходе к космическим масштабам и гигантским скоплениям вещества искривленность пространства приобретает существенное значение.

— Гравитационное поле, — говорил Эйнштейн, — полностью определяется массами тел.

При этом связь между веществом и свойствами пространства-времени не односторонняя, а взаимная.

«Массы определяют геометрические свойства пространства и времени, — замечает академик В. А. Фок, — а эти свойства определяют движение масс».

«Общая теория относительности, — подчеркивают Я. Зельдович и И. Новиков, — описывает тяготение как воздействие масс на свойства пространства и времени. В свою очередь, эти свойства пространства и времени влияют на движение тел и другие физические процессы».

В 1917 году А. Эйнштейн сделал первую попытку применить общую теорию относительности для описания пространственно-временной структуры Вселенной. Эта работа ознаменовала собой рождение новой области науки — релятивистской космологии.

Тем самым еще раз, но теперь на совершенно новой основе, была поставлена проблема бесконечности Вселенной. И в этой постановке она стала одной из грандиознейших проблем современного естествознания, затрагивающей не только самые глубокие закономерности окружающего нас мира, но и наиболее принципиальные вопросы познания природы человеком.

В основе ньютоновской космологии лежали три фундаментальных положения: о стационарности и однородности Вселенной и эвклидовости пространства. Вселенная Эйнштейна, модель которой была построена великим физиком в 1917 году на основе общей теории относительности, связана с отказом от эвклидовости пространства.

Пространство Вселенной Эйнштейна — это трехмерная замкнутая в себе и в то же время неограниченная сфера.

В релятивистской космологии пространство обычно рассматривается как метрическое пространство, то есть многообразие, между элементами которого определено отношение расстояния.

В обычном эвклидовом пространстве любая прямая, продолженная неограниченно, является бесконечной. Но в искривленных пространствах бесконечность и неограниченность — не одно и то же. Строго говоря, различие между бесконечностью и неограниченностью существует и в эвклидовом пространстве — бесконечность свойство метрическое, это количественная характеристика, а неограниченность относится к структурным, так называемым топологическим свойствам пространства.

Но в искривленном пространстве это различие становится особенно ощутимым. Такое пространство может быть неограниченным, то есть не имеющим «края», границы, и в то же время конечным, то есть замкнутым в себе.

— При распространении пространственных построений в направлении неизмеримо большого, — отмечал Бернгард Риман, впервые разработавший математическую модель таких пространств, — следует различать свойства неограниченности и бесконечности: первое из них есть свойство протяженности, второе — метрическое свойство.

— Что мы хотим выразить, — писал Эйнштейн, обладавший счастливым умением с помощью наглядных образов выражать самые абстрактные идеи, — говоря, что наше пространство бесконечно? Ничего другого, как то, что мы можем прикладывать одно к другому равные тела в каком угодно числе и при этом никогда не наполним пространство. Если мы представим себе много равных кубических ящиков, то мы согласно эвклидовой геометрии помещая их один на другой, один возле другого и один за другим, можем заполнить произвольно большую часть пространства, но такое построение никогда не кончится, всегда останется место, чтобы прибавить еще кубик. Вот что мы хотим выразить, говоря, что пространство бесконечно.

В качестве примера неограниченного и в то же время конечного пространства можно привести поверхность обычного трехмерного шара. Вообразим некое двумерное существо, скажем, предельно плоского муравья, живущего в этой поверхности. Передвигаясь по ней, он нигде не наткнется ни на какие границы. И в этом смысле поверхность шара неограниченна. Но если радиус шара конечен, то и площадь его поверхности тоже имеет конечную величину.

Представить себе трехмерную сферу так же трудно, как трудно было бы воображаемым плоским существам, живущим на шаровой поверхности, представить себе двумерную сферу. Ведь, хотя такая сфера и обладает двумя измерениями, она изогнута в трехмерном пространстве.

Что же касается ньютоновских постулатов однородности пространства и времени, то эйнштейновская космология не только принимала их в качестве исходного положения, но и накладывала еще более жесткое ограничение — требование изотропии. Эти постулаты получили наименование «космологического принципа».

Другая формулировка космологического принципа состоит в том, что средние значения всех физических величия по достаточно большому объему одинаковы для любых частей Вселенной.

— Вообразим, что мы разбили Вселенную на множество таких «элементарных» областей, что каждая из них содержит большое количество галактик, — говорит А. Зельманов. — Тогда однородность и изотропия означают, что свойства и поведение Вселенной в каждую эпоху одинаковы во всех достаточно больших областях и но всем направлениям. А одним из важнейших свойств однородного изотропного пространства является его постоянная кривизна.

Таким образом, эйнштейновская космология была космологией однородной и изотропной Вселенной.

Она, подобно классической физике, описывала стационарную Вселенную, то есть такую Вселенную, которая с течением времени не только не меняется в общих чертах, но в которой вообще нет каких-либо движений достаточно крупного масштаба и средняя плотность вещества не изменяется со временем.

Итак, Вселенная Эйнштейна обладает конечным объемом, но вместе с тем она не меняется со временем — ее возраст бесконечен.

Вот тогда-то новый острослов добавил к старинной эпиграмме, о которой мы упоминали, еще две строки;

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 очередным шагом к еще более глубокому пониманию строения мира.

Разумеется, пространственная конечность первой космологической модели Вселенной не могла служить доказательством конечности реального пространства. Но сам Эйнштейн считал эту возможность наиболее разумной.

И все же модель — это всего лишь модель. Ответить на вопрос, в каком пространстве мы живем — эвклидовом или искривленном, — могут только наблюдения. И, в принципе, такая возможность существует.

Например, плоские обитатели двухмерной сферы могли бы установить, что живут на шарообразной поверхности, определив, что в их мире сумма углов любого треугольника больше 180°.

Мы тоже можем путем наблюдений определить величину радиуса кривизны Вселенной. Но технически это пока неосуществимо, так как для решения подобной задачи необходимо с очень большой точностью измерить огромные расстояния порядка миллиардов световых лет.

Так, благодаря созданию общей теории относительности был совершен новый весьма существенный шаг к пониманию геометрических свойств реального мира.

Стало ясно, что эта проблема значительно шире, чем просто вопрос о конечности или бесконечности пространства. Геометрия мира непосредственно связана с распределением материи. И чтобы в ней разобраться, необходимо изучить распределение и свойства различных космических объектов.

Стационарная космологическая модель Эйнштейна была первым шагом на этом новом пути.

Но только первым шагом. Очень скоро выяснилось, что реальная Вселенная — нестационарна.

Вселенная расширяется

В оцта из летних месяцев 1922 года в берлинском физическом журнале появилась небольшая статья никому не известного ленинградского математика Александра Александровича Фридмана (1888–1925).

Статья называлась «О кривизне пространства» и была посвящена анализу уравнений общей теории относительности.

Фридману удалось обнаружить совершенно неожиданный факт: оказалось, что эти уравнения имеют не только статические, но и нестатические решения, то есть такие решения, которым соответствуют нестационарные — расширяющиеся или сжимающиеся однородные изотропные модели Вселенной.

Согласно выводу Фридмана, «непустая», заполненная материей, Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься, а кривизна пространства и плотность вещества при этом соответственно уменьшаться или увеличиваться.

Александр Фридман не был физиком-теоретиком. По терминологии, принятой в наше время, его специальностью была математическая физика — он занимался изучением динамики метеорологических явлений.

Течение атмосферных процессов зависит от множества различных причин, и поэтому системы дифференциальных уравнений, с помощью которых их описывают, чрезвычайно сложны. Занимаясь изучением таких систем, Фридман, увлекшийся динамической метеорологией, еще в бытность студентом физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета накопил огромный опыт.

Эти занятия помогли ему выработать и еще одно ценнейшее качество исследователя природы: Фридман не просто производил математические выкладки, он всегда стремился распознать за формулами реальные физические явления.

— Александр Александрович Фридман имел редкие способности к математике, — вспоминает профессор А. Ф. Гаврилов, — однако изучение одного только математического мира чисел, пространства и функциональных соотношений в них его не удовлетворяло. Ему было мало и того мира, который изучался теоретической и математической физикой. Его идеалом было наблюдать реальный мир и создавать математический аппарат, который позволил бы формулировать с должной общностью и глубиной законы физики и затем, уже без наблюдения, предсказывать новые законы.

Счастливое сочетание качеств ученого-исследователя, которое и позволило Фридману сделать чрезвычайно важный шаг в познании картины Вселенной.

Но известность и авторитет в науке тоже играют немаловажную роль. Особенно в тех случаях, когда никому не ведомый молодой исследователь посягает на мнение признанных корифеев. В свое время действие этого фактора испытал на себе и сам Эйнштейн. Теперь же, став известнейшим автором двух великих физических теорий, он, в свою очередь, недооценил результаты, полученные Фридманом.

Трудно сказать, проверял ли Эйнштейн выводы Фридмана с карандашом в руках. Скорее всего, бегло. Должно быть, великий физик положился на интуицию, а она подсказывала, что ничего подобного не может быть: ведь нестационарная Вселенная Фридмана противоречила его собственной стационарной модели.

Но как бы там ни было, Эйнштейн, ознакомившись со статьей Фридмана, поместил в очередном номере «Физического журнала» коротенькое замечание, в котором категорически заявлял, что результаты Фридмана вызывают серьезные сомнения и скорее всего неверны.

Прочитав это, Фридман написал Эйнштейну подробное письмо, в котором обстоятельно излагал существо своей работы. На этот раз великий физик проверил все с особенной тщательностью и к своему удивлению пришел к выводу, что… Фридман совершенно прав.

Возможно, другой на его месте из принципа продолжал бы отстаивать свое первоначальное мнение или, в лучшем случае, просто промолчал. Но Эйнштейну была абсолютно чужда какая бы то ни было амбиция, увы, нередко застилающая глаза маститым ученым. Самой главной целью его жизни было познание реальной природы, и потому он никогда не упорствовал в своих ошибках. Не имело значения, что ошибся он сам, было гораздо важнее, что ошибка исправлена и тем самым внесено что-то новое в наши знания о мире.

И 13 мая 1923 года в редакцию «Физического журнала» поступило письмо Эйнштейна, которое и было вскоре опубликовано под заголовком «Заметка о работе А. Фридмана о кривизне пространства».

«В предыдущей заметке я критиковал названную работу, — писал Эйнштейн. — Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основывалась на ошибках в вычислениях.

Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т. е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства».

Любопытно: как выяснилось позднее, и статическая модель Эйнштейна тоже неизбежно переходит в нестационарную. Но это означало, что однородная изотропная Вселенная должна обязательно либо расширяться, либо сжиматься.

Физикам и астрономам стало ясно, что уравнения Эйнштейна имеют решения, описывающие мир, геометрия которого меняется с течением времени. При расширении средняя плотность вещества постепенно убывает, а следовательно, меняется и кривизна пространства.

Приверженность А. Эйнштейна к модели стационарной Вселенной, мешавшая ему разглядеть столь важное свойство выведенных им же самим уравнений, имела свои объективные причины. Идея стационарности была в то время чем-то само собой разумеющимся. С одной стороны, она опиралась на представления о так называемых «неподвижных» звездах[12], а с другой — на все еще существовавшую веру человечества в стабильность мирового порядка.

Таким образом, заслуга Фридмана состояла не только в том, что ему удалось преодолеть предвзятую точку зрения создателя теории относительности, но прежде всего в том, что он сумел отказаться от традиционного взгляда на мир.

Независимо от теоретических исследований Фридмана, американский астроном Слайфер обнаружил в спектрах галактик «красное смещение». Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

Вообще эффект Доплера сопутствует любому волновому процессу, в частности, распространению звуковых колебаний. Вероятно, каждый не раз отмечал, что звук свистка приближающегося электровоза резко понижается, как только, промчавшись мимо, он начинает быстро удаляться.

В оптических спектрах эффект Доплера вызывает смещение спектральных линий. При сближении с источником воспринимаемая частота колебаний возрастает и линии смещаются к фиолетовому концу спектра. Когда же расстояние до источника растет, частота уменьшается и происходит сдвиг линий в сторону более низких частот — к красному концу спектра. Это и есть «красное смещение». Его величина пропорциональна скорости удаления.

Через несколько лет после открытия Слайфера другой американский астроном Хаблл выяснил, что чем дальше расположена от нас галактика, тем сильнее сдвиг линий в ее спектре. Мало того, обнаружилась почти пропорциональная зависимость между расстояниями и величиной красного смещения.

С точки зрения принципа Доплера это означает, что все галактики удаляются и чем дальше расположена та или иная галактика, тем быстрее она движется.

На основании картины движения галактик, полученной в результате объяснения красного смещения с помощью эффекта Доплера, физики и астрофизики разработали теорию «расширяющейся Вселенной», согласно которой несколько миллиардов лет назад материя Вселенной была сосредоточена в сравнительно небольшом объеме, где она находилась в состоянии сверхчудовищной, может быть, бесконечно большой плотности. Затем по неизвестной причине началось расширение этого объема, своеобразный космический взрыв, в результате которого в конечном итоге образовались космические объекты — звезды, галактики, планетные системы. Расширение продолжается и по сей день. В каждый данный момент Вселенная обладает конечным объемом, радиус которого все время возрастает.

Что же касается кривизны пространства, то в случае расширяющейся Вселенной она оказывается непосредственно связанной со значением средней плотности материи и так называемой постоянной Хаббла, показывающей зависимость скорости разбегания галактик от расстояния.

Кроме того, средняя плотность материи в однородной Вселенной Фридмана определяет не только ее геометрию, но и ее будущее.

Подсчеты показывают: при средней плотности вещества, превосходящей 610^-29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует 10 атомам водорода в каждом кубическом метре, пространство замкнуто и конечно. А расширение замкнутого сферического неэвклидового трехмерного мира должно быть рано или поздно остановлено тяготением и перейти в сжатие.

Если средняя плотность в точности равна критической — этот случай был подробно рассмотрен в 1932 году Эйнштейном и де Ситтером, — расширение Вселенной происходит неограниченно, а ее пространство является эвклидовым и бесконечным.

Наконец, при плотности, меньше критической, пространство тоже бесконечно, но является уже не эвклидовым, а пространством Лобачевского.

Однако это лишь различные теоретические возможности. А как определить среднюю плотность всех существующих форм материи: звезд, межзвездного водорода, электромагнитного излучения, потоков «неуловимых» частиц нейтрино, межгалактического газа, который главным образом состоит из водорода и гелия, и так далее…

Задача весьма непростая, если учесть, что за этим «и так далее» скрываются такие виды материи, которые трудно наблюдаемы, а кроме того, могут в принципе существовать и такие ее формы, о которых мы вообще не имеем пока ни малейшего представления. А это значит, что по крайней мере при современном уровне знаний о Вселенной, у нас нет достаточных оснований для того, чтобы отдать предпочтение одной из существующих возможностей. Чтобы сделать такой выбор, необходимо располагать гораздо более точными оценками средней плотности материи в космических масштабах.

Но все обстоит еще сложнее.

Как мы уже говорили, теория относительности рассматривает пространство и время как единое образование, так называемое пространство-время, в котором временная координата играет столь же существенную роль, что и пространственные. Таким образом, в самом общем случае мы с точки зрения теории относительности можем говорить лишь о конечности или бесконечности именно этого объединенного пространства-времени. Но тогда мы вступаем в так называемый четырехмерный мир, обладающий совершенно особыми геометрическими свойствами, самым существенным образом отличающимися от геометрических свойств того трехмерного мира, в котором мы живем.

И бесконечность или конечность четырехмерного пространства-времени еще ничего или почти ничего не говорит об интересующей нас пространственной бесконечности Вселенной. Еще А. Фридман показал, что в рамках теории относительности раздельная постановка вопроса о пространственной и временной бесконечности Вселенной возможна не всегда, а только при определенных условиях. Этими условиями являются однородность и изотропность. Только в случае однородности и изотропности единое пространство-время расщепляется на «однородное пространство» и универсальное «мировое время».

Но вернемся к развитию Метагалактики во времени. Каково бы ни было с точки зрения теории расширяющейся Вселенной ее будущее, в отдаленном прошлом материя в нашей области пространства должна была находиться в качественно ином состоянии, чем в настоящее время. Что же оно собой представляло?

Одну из первых попыток дать ответ на этот бесспорно волнующий вопрос предпринял в 1931 году профессор Лувенского университета в Бельгии Жорж Леметр. Еще в 20-е годы он изучал астрофизику в Кембридже и Массачусэтском технологическом институте, а затем сам стал преподавать астрономию. Леметр был бесспорно выдающимся ученым, отлично владеющим математикой, он опубликовал свыше 70 научных работ.

Но вместе с тем Леметр носил сан католического аббата, а в последние годы своей жизни занимал весьма почетный в церковной иерархии пост президента Ватиканской академии наук.

Основываясь на фридмановской модели расширяющейся Вселенной, Леметр выдвинул идею «большого взрыва» первичного сгустка материи, сосредоточенной в нуль-пункте пространства и времени.

Трудно сказать, в какой степени сказались при разработке этой теории религиозные воззрения Леметра. Если судить по его собственным словам, за своим письменным столом он был только естествоиспытателем.

— Моя теория, насколько я могу судить, полностью оставляет в стороне любой религиозный вопрос, — не раз говорил Леметр, — она является чисто физической и не апеллирует ни к каким силам, которые не были бы нам известны.

И добавлял:

— Для верующего снимается любая попытка сблизиться с господом.

Но, должно быть, духовный сан Леметра вдохновил некоторых других теологов и богословов. Во всяком случае многие из них, ухватившись за внешнюю сторону его теории, пытались сделать из нее религиозные выводы.

Этого прямо требовало и верховное руководство католической церкви.

«Итак, сотворение мира во времени — и потому есть творец, следовательно, есть бог; вот те сведения, которых мы требуем от науки», — эти слова принадлежат главе католической церкви папе Пию XII и были произнесены в ноябре 1951 года.

И теоретики религии стараются выполнить указание своего духовного главы: они пытаются связать взрыв, который привел к образованию Метагалактики, с актом божественного творения Вселенной.

«Космос… имеет историю, которую можно проследить вплоть до самого начала, — утверждает западногерманский католический теолог Марсель Рединг, — начала, совпадающего с возникновением „пространства-времени“».

И хотя слово «бог» здесь явно не произносится, цель подобных рассуждений — подвести к выводу о божественном творении. Об этом прямо заявляет другой католический теолог П. Тиволье. Комментируя теорию расширяющейся Вселенной, он без всяких обиняков делает заключение: «Вселенную создал бог…»

Другие богословы, пытаясь использовать в своих интересах теорию расширяющейся Вселенной, действуют несколько более тонко. Вот так, например, делает это современный французский католический теолог Клод Тремонтан.

То обстоятельство, что Вселенная находится в состоянии непрерывной эволюции, утверждает он, что в ней непрестанно возникают новые структуры, неоспоримо и неопровержимо свидетельствует о продолжающемся творении, о том, что все в мире находится в состоянии непрерывного изобретения высшей сверхъестественной силой — богом.

А в действительности? Дают ли современная астрономия и астрофизика хотя бы какие-либо основания для подобных выводов?

Одной из наиболее характерных особенностей современной астрофизики является ее эволюционный характер. Если раньше эта область науки о Вселенной в основном ограничивалась изучением физических свойств различных космических объектов, характеризующих главным образом их современное состояние, то сейчас на передний план выдвинулось изучение их истории, в первую очередь различных качественных превращений, при которых совершаются переходы материи из одних видов в другие.

Что же касается тех принципиально новых представлений о космических процессах, которые сложились в последние годы, то они представляют собой важный шаг к более глубокому пониманию сущности происходящих во Вселенной явлений.

И во всех этих новейших астрономических данных нет абсолютно ничего такого, что прямо или косвенно указывало бы на существование и деятельность сверхъестественных сил.

Вопрос, по существу, сводится к следующему: если действительно происходит творение, как об этом говорят богословы, то, следовательно, космические объекты возникают из ничего или, по крайней мере, сверхъестественным образом, то есть вопреки естественным законам природы.

Однако современная астрофизика не дает никаких поводов для подобных заключений. В процессе исследования эволюции различных космических объектов удается прослеживать последовательные стадии их развития. И в тех случаях, когда переход к повой стадии происходит плавно, и в тех, когда он совершается скачкообразно. И всегда это превращение одного вида материи в другой. Превращение, которое подчиняется вполне естественным закономерностям.

В духе материализма решается современной астрофизикой и «вопрос вопросов» — об «изначальном» материале Метагалактики. Что было в самом начале расширения и до него? Откуда взялось «то», что затем стало расширяться, те элементарные частицы, которые входили в состав первоначального сверхплотного плазменного сгустка?

Физика и астрофизика не допускают на этот счет никаких кривотолков в духе вмешательства «высшего разума» и «высшей воли». Хотя нельзя еще точно сказать, какая именно материальная форма предшествовала исходному сверхплотному сгустку, однако уже имеющихся в распоряжении науки данных вполне достаточно для принципиального вывода о том, что это была именно материальная форма. Более того, существуют и конкретные предположения на этот счет. Так, некоторые физики и астрофизики считают, что такой «изначальной формой» мог быть физический вакуум. Во всяком случае уже известно, что вакуум представляет собой особую форму материи, способную рождать частицы в полном соответствии с законом сохранения материи и движения.

Таким образом, современная астрофизика не только «нащупывает» все более ранние и скрытые формы материи, не только выявляет новые возможности их взаимопревращения, не только вскрывает все более глубокие естественные взаимосвязи между различными явлениями и сторонами материального мира, но и дает нам убедительные свидетельства его единства, отсутствия каких бы то ни было сверхъестественных сил, стоящих над материей.

Вернемся, однако, к истории развития «теории расширения». Ее популярность быстро росла. В известной степени способствовали этому общедоступные книги о расширении Вселенной, написанные сперва английским ученым Артуром Эдингтоном, а затем американским физиком Георгом Гамовым.

Гамов не просто популярно изложил известные вещи. Пытаясь решить проблему происхождения химических элементов, он в 1948 году построил свою собственную концепцию «горячей Вселенной». По его мысли, первичный сгусток вещества — илем — представлял собой массу водорода, сжатого до такой степени, что электроны были вдавлены в протоны, а образовавшиеся в результате нейтроны оказались спрессованными до предела при очень высокой температуре. Распад и последующее расширение илема, которое Гамов попытался проследить стадия за стадией, и привели к образованию Метагалактики. Отличительной особенностью гипотезы Гамова является предположение о том, что на начальном этапе расширения плотность излучения во много раз превосходила плотность вещества. Вообще говоря, эта идея высказывалась и раньше, но только Гамов и его ученик Альфер осуществили серьезное физическое исследование подобной ситуации.

Согласно теории «горячей Вселенной», на одном из ранних этапов расширения должно было возникнуть коротковолновое электромагнитное излучение, постепенно заполнившее все мировое пространство.

Это излучение, названное реликтовым, было обнаружено американскими физиками А. Пенциасом и Р. Вилсоном в 1965 году. Открытие реликтового излучения стало очень важным экспериментальным подтверждением расширения Метагалактики.

Ко всему сказанному следует добавить: из общей теории относительности следует также, что геометрия пространства может меняться со временем еще и в результате распространения так называемых гравитационных волн, источниками которых могут служить колебания масс, космические взрывы и другие явления, происходящие в глубинах Вселенной.

Сейчас многие физики и астрофизики заняты поисками гравитационного излучения. Есть и сообщения о первых успехах. Но они еще нуждаются в тщательной и всесторонней проверке. И только после этого можно будет делать какие-либо определенные выводы.

Правда, гравитационные волны, если даже они и в самом деле существуют, несут с собой ничтожную энергию. Но доказательство самого факта их существования бесспорно имело бы принципиальное значение.

Развенчание парадоксов

Общая теория относительности и теория расширяющейся Вселенной были не только принципиально новым шагом в понимании геометрии мира. Они освободили космологию от назревавших в «классические времена» неразрешимых парадоксов, в чем-то напоминающих знаменитые парадоксы теории множеств.

Еще в конце прошлого столетия немецкий ученый Зеелигер пришел к довольно любопытному выводу, вошедшему в историю науки под названием «гравитационного парадокса».

Как известно, согласно закону всемирного тяготения Ньютона все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Но если Вселенная бесконечна и однородна, то, как следует из довольно простого подсчета, энергия взаимодействия любого тела со всеми остальными массами Вселенной окажется бесконечной, а сила его взаимодействия с этими массами — неопределенной.

Грубо говоря, в бесконечной Вселенной на каждую частицу должна действовать равнодействующая двух бесконечно больших сил притяжения. А разность двух бесконечностей и есть неопределенность.

Но, очевидно, в такой Вселенной не было бы никакой однозначности и, по существу, в ней не действовали бы никакие законы природы.

Однако ничего подобного в действительности не наблюдается.

Еще в XIX веке была предпринята попытка устранить гравитационный парадокс с помощью предположения о том, что ньютоновский закон тяготения справедлив лишь для сравнительно малых космических областей, а с увеличением масштаба сила тяготения ослабевает значительно быстрей, чем этого требует формула Ньютона. С этой целью к ней добавляли специальный дополнительный множитель.

Но все дело в том, что эта поправка к закону тяготения вводилась чисто умозрительно, без какого-либо экспериментального основания.

— Опыт показывает, — заметил по- этому поводу известный советский физик Давид Альбертович Франк-Каменецкий, — что такая примитивная коррекция привычных представлений для применения к повой области никогда еще в истории науки не приводила к успеху.

Еще одно противоречие между реальным положением вещей и ньютоновской бесконечной однородной Вселенной с бесконечным количеством звезд подметил в свое время швейцарский астроном Жан Филипп Шезо.

— Если количество звезд во Вселенной бесконечно, — задумался Шезо, — то почему все небо не сверкает, как поверхность единой звезды?

Сам он находил на этот вполне законный вопрос единственный ответ: скорее всего свет дальних звезд заслоняют от нас облака космической пыли.

Дальнейшая история этого знаменитого парадокса связана с именем астронома-любителя (что случается не так уж часто), богатого и преуспевающего бременского врача Генриха Ольберса.

Вновь поставив, и притом независимо от Шезо, волновавший швейцарского ученого вопрос о том, почему ночное небо черное, Ольберс пришел к выводу, что и пылевые облака не спасают положения.

Проблема, над которой размышляли Шезо и Ольберс, сыграла немалую роль в развитии научных представлений о Вселенной. Она вошла в историю астрономии под названием фотометрического парадокса. Состоит он, строго говоря, в следующем.

Если в бесконечной Вселенной равномерно рассеяны звезды, которые в среднем излучают приблизительно одинаковое количество света, то, независимо от того, сгруппированы они в галактики или нет, они должны покрыть своими дисками всю небесную сферу. И куда бы мы ни направили свой взор, он почти наверняка рано или поздно натолкнется на какую-нибудь звезду.

Известно, что интенсивность видимого света звезд уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Но это уменьшение в такой же степени компенсируется увеличением числа звезд, попадающих в поле нашего зрения.

Иными словами, каждый участок звездного неба, казалось бы, должен светиться как участок диска Солнца. Со всех сторон на нас должен обрушиваться ослепительный жаркий поток света с температурой около 6 тысяч градусов, почти в 200 тысяч раз превосходящий поток солнечного света. Между тем ночное небо черное и холодное. В чем же тут дело?

Любопытно отметить, что еще Аристотель — об этом сообщает в своих «Диалогах» Джордано Бруно — описывал ситуацию, весьма сходную с фотометрическим парадоксом. Если бы мир был бесконечным, рассуждал Аристотель, то должны были бы существовать «бесконечные частные огни». И хотя каждый из них был бы конечным, тот огонь, который явился бы, в результате должен был быть бесконечным. Именно на этом основании Аристотель и приходил к заключению о конечности мира.

После изысканий Шезо и Ольберса, в соответствии с их первоначальной идеей, были предприняты довольно многочисленные попытки устранить фотометрический парадокс ссылкой на поглощение света рассеянной межзвездной материей. Но в 1973 году советский астроном академик Василий Григорьевич Фесенков показал, что и это не спасает положения. Межзвездная материя не столько поглощает свет звезд, сколько рассеивает его. Таким образом, ситуация оказалась еще более сложной.

Еще одна попытка устранить фотометрический, а заодно и гравитационный парадокс, была предпринята Шарлье, который выдвинул идею об иерархическом строении Вселенной. «Вселенная Шарлье» — это совокупность вложенных друг в друга систем все более высокого порядка: звезды — звездные скопления — скопления звездных скоплений и т. д. И чем выше порядок системы, тем сильнее она разрежена.

Такая схема действительно устраняла парадоксы, по картина Вселенной получалась при этом явно искусственной: в центре чрезвычайно плотное скопление звезд, а с увеличением расстояния звезд все меньше и меньше.

Наконец, третий парадокс возник при попытке применить к стационарной Вселенной законы термодинамики — науки о тепловых процессах. Поскольку такая Вселенная существует бесконечно долгое время, то в ней давно должно было бы наступить полное термодинамическое равновесие — «тепловая смерть». Все тепло должно было бы равномерно распределиться между всеми телами, и всякие тепловые процессы полностью прекратились бы.

Таким образом, два парадокса отрицали бесконечность однородной стационарной Вселенной в пространстве, а третий — ее бесконечность во времени.

Но если парадоксы теории множеств не получили своего решения и по сей день, то судьба космологических парадоксов оказалась совершенно иной.

С появлением общей теории относительности сам собой отпал гравитационный парадокс Зеелигера — в этой теории он просто не возникает.

В свою очередь, теория расширяющейся Вселенной наполовину «расправилась» с термодинамическим парадоксом. Если Метагалактика существует «всего» несколько миллиардов лет, то тепловое равновесие в ней просто еще не успело установиться. И хотя это соображение отнюдь не снимает вопроса о «тепловой смерти» Вселенной вообще (в будущем), по отношению к прошлому оно устраняет все противоречия.

Что же касается будущего, то эту задачу исследовал американский физик Р. Толмен. Ему удалось показать, что благодаря наличию гравитации даже в конечной Вселенной не может существовать состояния с максимальной энтропией.

Примерно к такому же выводу с позиций статистической физики пришел и советский ученый профессор К. П. Станюкович.

Нашел себе объяснение в теории расширения Метагалактики и фотометрический парадокс.

Поскольку галактики разбегаются, в их спектрах, как мы уже знаем, происходит красное смещение спектральных линий. В результате частота, а значит, энергия каждого фотона уменьшаются. Ведь красное смещение — это сдвиг электромагнитного излучения в сторону более длинных волн. А чем больше длина волны, тем меньшую энергию несет с собой излучение. И чем дальше галактика, тем больше красное смещение, а значит, тем сильнее ослабляется энергия каждого приходящего к нам фотона.

Помимо этого, непрерывное увеличение расстояния между Землей и удаляющейся галактикой приводит к тому, что каждый следующий фотон вынужден преодолевать несколько больший путь, чем предыдущий. По этой причине фотоны попадают в приемник реже, чем они испускаются источником. Следовательно, уменьшается и число приходящих в единицу времени фотонов, что также приводит к понижению количества приходящей в единицу времени энергии. Вследствие красного смещения происходит не только перемещение излучения в область более низких частот, но и ослабление его энергии.

Следовательно, красное смещение ослабляет излучение каждой галактики. И тем сильнее, чем дальше она от нас находится.

Именно поэтому ночное небо остается черным.

Таким образом, теория расширяющейся Вселенной, возникшая как одно из следствий общей теории относительности, явилась очередным шагом в познании Вселенной, в том числе ее геометрических свойств.

Но это был не просто новый вариант решения проблемы, а принципиально новый подход к ней. Если раньше ученые искали окончательного ответа на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, исходя из тех или иных умозрительных или теоретических соображений, то теория расширяющейся Вселенной предоставила решение этого вопроса фактам, которые надо было получить в результате изучения реального мира.

Но и новая космология однородной изотропной расширяющейся Вселенной ставила вопрос о бесконечности по принципу «или — или…». Или Вселенная бесконечна, или — конечна. Одно исключает другое. И, следовательно, задача науки заключается в том, чтобы выяснить, какая из этих двух возможностей реализуется в природе.

Но уже А. Фридман понимал, что подобная постановка вопроса является сильно упрощенной, даже наивной.

Попытка реванша

Иногда пути развития науки причудливы и извилисты. И нередко бывает так, что, казалось бы, окончательно отвергнутые и уже полузабытые гипотезы и теории неожиданно оживают и вновь переходят в наступление.

Один из таких «поворотов» произошел вскоре после окончания второй мировой войны и в науке о Вселенной.

В 1948 году была предпринята попытка возродить стационарную космологию. Одним из ее авторов и вдохновителей был английский ученый Фред Хойл, широко известный не только своими выдающимися исследованиями в области теоретической астрофизики, но и весьма оригинальными научно-фантастическими романами.

Объединение, казалось бы, столь различных способностей в одном лице не так уж неожиданно: и научная фантастика, и современная космология требуют богатства воображения и дерзости мысли.

Во всяком случае идея, выдвинутая Хойлом, выглядела явно фантастически: Вселенная расширяется, но в то же время непрерывно пополняется веществом, в результате средняя плотность остается неизменной и стационарность не нарушается. За каждый миллиард лет объем пространства, равный одному кубическому метру, пополняется двумя атомами водорода.

Откуда же берется это новое вещество? Ответ Хойла был столь же прост, сколь и неожидан:

— Оно возникает из ничего…

А почему бы и нет? Разве нам все известно о законах движения материи?..

И все же — не мистика ли это? Как может вещество рождаться из «ничего»? А закон сохранения материи?

— Из ничего? — нашли выход сторонники стационарной космологии. — Но это не так. Вещество не творится, а рождается неизвестным нам полем. А поле — тоже есть материя.

— Правда, такие аргументы, — заметил по этому поводу академик Виталий Лазаревич Гинзбург, — очень уж напоминают рассуждения о «медиумической энергии», которые Лев Толстой поместил в «Плодах просвещения», издеваясь над псевдонаукой.

Впрочем, утверждение о непрерывном творении материи было всего лишь выводом из более общего принципа, который Хойл и его соавторы, сотрудники Кембриджского университета Гармен Бонди и Томас Голд, положили в основу стационарной космологии.

Принцип этот получил несколько претенциозное наименование «совершенного космологического принципа»: свойства Вселенной постоянны как в пространстве, так и во времени.

Однако интуиция подсказывала, что реальный мир не таков. И, видимо, потому идею стационарной Вселенной мало кто поддерживал.

— Думаю, справедливо будет сказать, что большинство ученых отвергают ее, — признавал один из сторонников стационарной Вселенной Д. Сиама. — Но некоторые видные специалисты считают стационарное состояние Вселенной настолько привлекательным, что предпочитают сохранять ум открытым до тех пор, пока не будут проведены решающие наблюдения.

Все верно: интуиция — интуицией, но необходимы факты. Какой бы неправдоподобной ни казалась идея непрерывного творения, опровергнуть ее можно только с помощью наблюдений.

— Я, как и большинство других физиков и астрономов, всегда относился к стационарной космологической модели, в которой допускается «рождение вещества», резко отрицательно, — вспоминает академик Гинзбург. — По такие вопросы не решаются голосованием и в зависимости от вкусов или даже весьма обоснованных соображений теоретического характера. Нужно признать, что мы опять приходим к универсальному для всего естествознания заключению — подлинный и безапелляционным судьей, решающим судьбы новых гипотез, являются опыт и наблюдения.

Так и получилось. Именно наблюдения произнесли свой окончательный приговор.

— Концепция стационарной Вселенной находится в противоречии с результатами подсчетов источников радиоизлучения, проведенных Райлом и Кларком. Их данные показывают, что или в прошлом радиоисточников было больше, или они были более мощны, или то и другое вместе.

Эти слова принадлежат самому Фреду Хойлу. Астрономические наблюдения убедительно показывают, что Вселенная с течением времени изменяется, миллиарды лет назад вещество находилось в ином состоянии, иным было количество космических объектов, иными были их свойства.

— В результате, — делает вывод академик Гинзбург, — стационарная космологическая модель может считаться опровергнутой или при очень придирчивом подходе почти что опровергнутой.

Недавно был получен результат, позволяющий качественно оценить величину средней плотности материи во Вселенной. Подсчеты показали, что средняя плотность материи в сверхгалактике по меньшей мере в два раза выше, чем в Метагалактике. Между тем наблюдения показывают, что темп расширения Сверхгалактики и Метагалактики (величина постоянной Хаббла) практически одинаковый. Выходит, что увеличение средней плотности в два раза никак не влияет на характер расширения; это может только означать, что эта плотность необычайно мала (видимо, значительно меньше критической). Если это так, то пространство Метагалактики незамкнуто и она расширяется неограниченно.