По следам бесконечности

Новый этап

В наше время наука развивается не просто очень быстро, а с огромным ускорением. Специалисты называют впечатляющие цифры: за каждые десять лет объем научной информации, которой располагает человечество, увеличивается вдвое. Каждое очередное десятилетие в смысле познания природы приносит чуть ли не столько же, сколько все предшествующие века научных исследований, вместе взятые.

А это, в свою очередь, означает, что вчерашний день науки, какими бы поразительными ни были связанные с ним открытия, все стремительнее отодвигается в прошлое. Это особенно заметно в астрономии и физике.

И дело тут не только в том, что уже ушли из жизни многие выдающиеся умы — представители того поколения ученых, которое совершило величайшую революцию в физике на рубеже XIX и XX столетий: Эйнштейн, Бор, Резерфорд, де Бройль, Паули и многие другие. Они свое дело сделали. А теперь наступает новый этап в познании мира.

И хотя еще не появилась новая «теория относительности», за последние годы мы узнали о Вселенной много такого, что еще и еще раз настойчиво приводит к одному и тому же фундаментальному выводу: нам известно немало, и все же те физические и космологические теории, которыми располагает современная наука, — только этап. Очередной шаг в познании бесконечно разнообразного мира. И предстоит совершить следующий, который потребует не только новых исследовательских усилий, но, быть может, и нового взгляда на мир.

Надо перестроить ряды, перегруппировать силы, подготовить себя к грядущим открытиям. Надо многое осмыслить, задуматься…

А задуматься есть над чем. Подтвердились многие предсказания, казалось бы, совершенно абстрактных астрофизических и космологических теорий. Было обнаружено реликтовое излучение, существование которого вытекало из теории расширяющейся Вселенной. Были открыты предсказанные более 30 лет назад физиками-теоретиками нейтронные звезды, в каждом кубическом сантиметре которых вмещается около 100 миллионов тонн вещества.

Эти и другие подобные открытия укрепили авторитет существующих теорий, подтвердили, что они верно отражают закономерности реального мира.

Но, с другой стороны, были обнаружены и такие явления, которые не только не находят себе объяснения в рамках существующих теорий, но с их точки зрения, пожалуй, вообще не должны были бы происходить. Расширяющиеся звездные скопления — звездные ассоциации, взрывающиеся галактики, вспышки красных карликов, источники чудовищной энергии — квазары.

— Если бы лет десять назад, — заметил московский астрофизик доктор физико-математических наук Игорь Дмитриевич Новиков, — какому-нибудь физику описали свойства квазаров, он, не задумываясь, заявил бы, что такие объекты в природе вообще не могут существовать.

А квазары существуют. Существуют, но до сих пор не находят себе удовлетворительного объяснения.

Далеко не все проблемы решены и современной космологией.

— В настоящее время самая общая физическая теория — это общая теория относительности. Однако несмотря на свою логическую стройность и безупречность, эта теория не свободна от затруднений, — говорил с трибуны второго Всесоюзного совещания по философским вопросам современного естествознания А. Л. Зельманов. — Обычно думают, что тут нет никаких проблем. Это заблуждение. Проблемы есть. В частности, и такие, которые вообще заведомо не могут быть разрешены в рамках общей теории относительности. Это относится к области космологии. Вселенная в целом существует в единственном экземпляре. Поэтому любая конкретная космологическая теория не может давать для нее больше одной модели. Теория может вообще не давать модели, но уж если дает — она должна быть единственной. Общая теория относительности этому требованию не удовлетворяет, потому что ее основные уравнения — это дифференциальные уравнения, имеющие множество решений. Отсюда и множество моделей. Таким образом, общая теория относительности не настолько обща, чтобы правильно решить вопрос о модели Вселенной в целом. Моделей должно быть или ноль, или одна. Если две — это уже плохо, а их бесчисленное множество. Видимо, решение этой проблемы будет достигнуто лишь в более общей физической теории.

— Было бы ошибочным думать, — заметил в одном из своих выступлений академик В. Амбарцумян, — что мы уже знаем все об окружающем нас мире. Мир устроен совсем не так просто, как нам хочется. Он бесконечно разнообразен, и поэтому на каждом этапе развития науки наши знания представляют собой лишь определенную степень приближения к истинной его картине. Но всякий раз новые наблюдения расширяют эти представления. Так было и так будет всегда.

По мнению академика Амбарцумяна, в астрономии уже сейчас происходит революция.

Вторая половина XX столетия вооружила астрономию принципиально новыми методами исследования Вселенной от радиотелескопов до космических кораблей и автоматических межпланетных станций. Благодаря этому астрономия, которая до недавнего времени была исключительно оптической наукой и получала всю информацию о Вселенной путем исследования светового излучения космических объектов, очень быстро становится всеволновой наукой. Соответственно неизмеримо расширился диапазон тех сведений, которые мы получаем о космических явлениях. Появилась возможность добывать уникальную информацию о физических процессах во Вселенной.

Не случайно многие известные физики проявляют все больший интерес к астрономии, как к источнику все новых и новых уникальных данных о фундаментальных закономерностях движения и строения материи. Они считают, что именно астрофизика рождает новую физику.

В частности, недавно умерший выдающийся советский физик академик Л. Арцимович прямо заявил в печати, что будущее в естествознании принадлежит астрофизике.

Изучение космических явлений уже привело к открытию целого ряда фактов, которые потребовали существенного пересмотра прежних представлений. Если в свое время считалось, что во Вселенной преобладают чрезвычайно медленные и плавные процессы, то теперь стало ясно, что многие фазы развития материи в космосе резко нестационарны и носят характер взрыва, дезинтеграции, рассеяния. И подобная нестационарность проявляется в космических явлениях самых различных масштабов.

Сегодня в центре внимания астрофизиков оказались нестационарные объекты, где за короткие по астрономическим масштабам промежутки времени совершаются качественные превращения материи.

Но физическая природа этих процессов пока еще остается неясной. И вполне возможно, что их изучение приведет к открытию принципиально новых физических закономерностей.

Одним словом, наука о Вселенной явно стоит на пороге новых кардинальных открытий. Если говорить военным языком, ведется подготовка к очередному генеральному наступлению. Анализируется и обобщается опыт предшествующих кампаний, тщательно исследуются и оцениваются данные разведки, ведутся разведывательные бои на наиболее ответственных участках, намечаются главные направления предстоящего наступления.

Да, не родилась еще новая физическая теория, более общая, чем теория относительности. Но наука о Вселенной и, в частности, об ее геометрических свойствах, отнюдь не стоит на месте. Добываются неизвестные ранее результаты, прокладываются новые пути, ученые еще и еще раз возвращаются к обсуждению наиболее острых проблем, взвешивают все возможности, стараются осмыслить ситуацию с философских позиций.

И происходит это не только в стенах научно-исследовательских институтов, на семинарах и конференциях, в научных публикациях, но и в личных беседах, в обсуждениях и дискуссиях на страницах научно-популярных журналов, в ответах на письма любознательных любителей астрономии.

И все это совершается в наши дни, на наших глазах.

«Красное без расширения?»

На первых порах разбегание галактик и расширение Вселенной казалось настолько невероятным, что очень многие исследователи пытались найти красному смещению в спектрах звездных островов какое-либо иное, так сказать, не космологическое объяснение.

Другими словами, предпринимались всевозможные попытки объяснить сдвиг линий в спектрах галактик не эффектом Доплера, а какими-то иными физическими причинами.

Однако все усилия подобного рода так и не принесли успеха. И расширение Вселенной стало для подавляющего большинства ученых общепризнанным фактом.

Но тем не менее время от времени эта проблема вновь воскресает из небытия. И тогда в очередной раз вспыхивают жаркие споры. Быть может, и не совсем бесплодные, хотя всякий раз они неизменно приводят к одному и тому же результату. Но само обсуждение может оказаться полезным; оно помогает отточить аргументы, уточнить позиции, лучше осмыслить общую ситуацию.

…В редакцию научно-популярного журнала пришел известный ученый. Член-корреспондент Академии наук.

— Хоть я не физик и не астроном, — сказал он, — но я хочу еще раз вернуться к проблеме красного смещения.

— Что вы имеете в виду? — настороженно осведомился редактор, не зная, чего ожидать — сенсации или очередной полемики вокруг довольно скользкого вопроса, всегда чреватой нежелательными хлопотами и непредвиденными неприятностями.

— Видите ли, — пояснил член-корреспондент, — в последнее время на страницах газет и научно-популярных изданий теория расширения Вселенной преподносится как научно доказанный факт. Я уже не говорю о специальных работах, где такая трактовка красного смещения стала обычным делом. Хотя бы в книге Зельдовича и Новикова «Релятивистская астрофизика». Между тем, на мой взгляд, расширение Вселенной не только не доказано, но имеется целый ряд весьма серьезных сомнений по этому поводу.

И поскольку редактор выжидающе молчал, член-корреспондент выложил на стол несколько листков, напечатанных на машинке.

— Вот, — сказал он, — здесь я собрал, кажется, все возражения против космологического объяснения красного смещения. Напечатайте… И пусть кто-либо из специалистов космологов попробует это опровергнуть. Не возражаю, если мою статью и ответ на нее вы поместите в одном и том же номере.

— А что, — загорелся редактор. — Может получиться интересно. Оставьте, пожалуйста, статью. Хотя, разумеется…

— Вы хотите сказать, что мои аргументы будут опровергнуты? Возможно… Но я почему-то убежден в том, что самообман «расширяющейся» Вселенной кончится горьким похмельем. Наверное, это будет выглядеть почти как комедия Гоголя. Я даже попытался изобразить этот «спектакль» в лицах. Разрешите?..

Он взял со стола текст статьи и, открыв последнюю страницу, стал читать вслух:

«Первый ученый: Так ошибиться, так попасть впросак! До сих пор не могу прийти в себя… Ну, кто первый сказал, что расширение доказано? Отвечайте!

Второй ученый (разводя руками): Уж как это случилось, хоть убей, но могу объяснить. Точно туман какой-то ошеломил, черт попутал.

Третий ученый: Кто сказал? Вот кто сказал: эти молодцы!

(Показывает на астронома де Ситтера и аббата Леметра, которые „бухнули в колокола“ сразу же после появления работ Виртца и Хаббла о красном смещении. Абстрактные построения общего расширения пространства в теории относительности были к этому времени уже известны.)

Все обступают де Ситтера и Леметра.

Де Ситтер: Ей-богу, это не я, это господин Леметр.

Леметр: Э, нет, дорогой коллега, вы ведь первые того…

Де Ситтер: А вот и нет, первые-то были вы, господин аббат!

Занавес опускается…»

— Ну, хорошо, — улыбаясь, сказал редактор, — Вы не возражаете, если вашу статью мы дадим почитать Зельманову. И напечатаем ее вместе с его ответом?

— Разумеется, — кивнул член-корреспондент. — Именно этого я и хочу…

И вот по просьбе редакции я встречаюсь с Абрамом Леонидовичем Зельмановым.

Зельманова я знаю давно. Это один из лучших знатоков общей теории относительности и в особенности ее приложений к космологии. Но главное даже не в этом. Абрам Леонидович принадлежит к числу широко мыслящих ученых, тех, кто не просто старается решить ту или иную конкретную задачу, но стремится заглянуть в будущее своей науки, проанализировать каждый новый факт с философской точки зрения.

Мы сидим за массивным круглым столом в небольшом холле на втором этаже Государственного астрономического института им. Штернберга — традиционном месте встреч и обсуждений «в узком кругу».

Зельманов внимательно читает принесенную мной статью, то и дело покачивая головой и приподнимая брови. Я вижу, он далеко не в восторге от предстоящей миссии. Наконец, чтение закопчено.

— Как вы понимаете, — медленно говорит Зельманов, — я предпочел бы не принимать участия в этой истории. Но и нельзя оставить такую статью без ответа. И дело тут не только в «бедном» читателе, которого могут ввести в заблуждение. Как я убедился, в этих вопросах, к сожалению, недостаточно четко разбираются даже некоторые специалисты. А это затрудняет движение вперед.

Потом мы несколько вечеров обсуждаем текст ответной статьи, несчетное число раз согласовываем каждый раздел по телефону. Это, кстати, одна из особенностей Зельманова как ученого — предельная требовательность к четкости и точности изложения.

Я формулирую вопросы — Зельманов отвечает.

— Думаю, лучше всего начать с главного, — предлагаю я. — По существу, вопрос сводится к следующему: есть ли в настоящее время какие-либо основания к пересмотру объяснения красного смещения в спектрах галактик эффектом Доплера и тем самым к «обратному» пересмотру картины расширения Метагалактики?

— Хорошо, — говорит Зельманов. — Начнем с вопроса о том, можно ли вообще — в принципе — объяснить красное смещение не эффектом Доплера, а какой-либо другой причиной? В качестве такой причины чаще всего выдвигалась идея «старения» фотонов, их постепенной «деградации» на долгом пути через космическое пространство. Однако спор между эффектом Доплера и эффектом деградации может быть однозначно разрешен с помощью астрономических наблюдений. Дело в том, что эти эффекты не совсем одинаковы.

Зельманов подвигает к себе чистый лист бумаги и продолжает, одновременно выписывая четкие значки формул:

— При старении фотонов сдвиг спектральных линий должен быть одинаков по всему спектру. В случае же эффекта Доплера постоянна не сама величина сдвига, а лишь ее отношение к соответствующей частоте. Другими словами, величина сдвига в этом случае не одинакова для различных линий спектра.

— И что же говорят наблюдения?

— Наблюдения недвусмысленно свидетельствуют о том, что красное смещение в спектрах галактик есть результат эффекта Доплера.

— А эффект Эйнштейна? — спрашиваю я.

(Дело в том, что есть еще одно физическое явление, сходное с эффектом Доплера. Когда излучение распространяется в поле тяготения, его частота изменяется так же, как и при взаимном удалении источника и приемника.)

— Расчеты показывают, — пожимает плечами Зельманов, — что в случае метагалактического красного смещения этот эффект, известный под названием «гравитационного смещения», или «эффекта Эйнштейна», может представлять собой лишь весьма небольшую добавку к эффекту Доплера.

— Следовательно…

— Следовательно, современная физика не знает таких явлений за исключением эффекта Доплера, с помощью которых можно было бы объяснить красное смещение, фактически наблюдаемое в спектрах галактик.

— Давайте поставим вопрос так, — предлагаю я. — Есть ли вообще в настоящее время основания искать какие-то другие объяснения, не связанные с эффектом Доплера? Это было бы, очевидно, оправдано в том случае, если бы «доплеровская» картина приводила к каким-либо серьезным противоречиям. Существуют ли такие противоречия в действительности?

— Таких противоречий лично я не вижу;—убежденно говорит Зельманов. — Наоборот, открытие реликтового излучения — экспериментальное доказательство справедливости теории расширения.

— Но в статье, о которой идет речь, как раз выражаются сомнения на этот счет. Высказывается предположение, что реликтовое излучение — вовсе не реликтовое, что на самом деле зарегистрирован лишь некий общий тепловой фон Метагалактики, имеющий совершенно иную природу.

— Действительно, такое предположение высказывалось и некоторыми астрофизиками. Однако еще летом 1970 года в Англии на очередном конгрессе Международного астрономического союза ученые пришли к единодушному мнению, что никаких серьезных оснований сомневаться в реликтовом характере зарегистрированного космического радиоизлучения в настоящее время не существует.

Зельманов немного помолчал, а затем, видимо, следуя своему обычному стремлению рассмотреть любой вопрос со всех сторон, добавил:

— Но если бы даже оказалось, что реликтового излучения нет вообще, то и это вовсе бы не означало, что от теории расширения Метагалактики необходимо отказаться. В рамках этой теории возможен и такой вариант, при котором реликтовое излучение отсутствует.

— В статье поднимается и еще один вопрос. Имеются ли вообще в нашем распоряжении необходимые эталоны для измерения величины красного смещения? Ведь если длины волн электромагнитного излучения увеличиваются так же, как метагалактические расстояния, а размеры атомов так же, как длины волн, то тогда и в самом деле ничего нельзя обнаружить.

На этот раз Зельманов задумался. Потом сказал медленно и раздельно, словно диктуя:

— Современная физика исходит из того, что при расширении Метагалактики происходит лишь изменение космологических масштабов. Масштабы же микроскопические и макроскопические в процессе расширения сохраняются. Что же касается длин электромагнитных волн, то они действительно изменяются так же, как расстояния между галактиками, и это действительно является следствием расширения. Однако эти изменения относятся к тому излучению, которое уже покинуло источник. Другими словами, длины волн изменяются «в пути» по дороге к приемнику. Длины же волн, свойственные излучению того или иного источника, как и размеры атомов, остаются неизменными. И это не просто одна из возможных точек зрения, — закончил он, — а вопрос, тесно связанный с фундаментальными основами всей современной физики вообще.

— Ну, а если во Вселенной все-таки происходит одновременное изменение и космологических и атомных масштабов? Что тогда?

— Тогда?.. — Зельманов саркастически улыбнулся. — Можно показать, что подобное допущение, по существу, означает ревизию всей современной физики.

— Конечно… Конечно… Понимаю, что вы хотите сказать, — быстро продолжил он, предупреждая мои возражения. — Разумеется, это еще не аргумент. Согласен, что, несмотря на все свои огромные успехи, современная физика — тоже не «истина в последней инстанции». И многие ее положения будут еще углубляться, уточняться, дополняться и пересматриваться. Более того, у современной физики есть свои принципиальные трудности, по-видимому, требующие совершенно новых идей. Но если уж в этой области естествознания и произойдет очередная революция, то она, скорее всего, будет связана с теорией элементарных частиц, а уж во всяком случае не с проблемой расширения Метагалактики. Кардинальные преобразования необходимы только в тех случаях, когда либо теория не может объяснить новых фактов, либо в ней обнаруживаются глубокие внутренние противоречия. Однако ничего подобного в теории расширяющейся Метагалактики нет. Не правда ли?..

— И еще одни вопрос… Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике и наблюдаем картину удаления окружающих нас галактик по всем направлениям. В связи с этим невольно может сложиться впечатление, что именно мы как раз находимся в центре расширения — неподвижной точке, от которой во все стороны разбегаются остальные звездные острова. Так ли это?

— Конечно, не так!

— Но хотелось бы представить себе это явление хоть как-то наглядно. Может быть, можно привести какую-нибудь аналогию?

— Аналогию? — И, немного подумав, Зельманов предложил такой поясняющий пример.

Представим себе, что из одного пункта одновременно на совершенно прямое шоссе выезжают несколько автомашин и начинают движение с разными скоростями. Через некоторое время они, очевидно, расположатся друг относительно друга в соответствии со своими скоростями: те, что движутся быстрее, уйдут вперед, более медленные — отстанут.

Теперь каждая впереди идущая машина будет, очевидно, двигаться с большей скоростью, чем следующая за ней. Представим себе наблюдателя, который находится в одной из средних машин и видит все остальные машины впереди и сзади, но не видит шоссе. Тогда, независимо от того, в какой из машин он едет, ему будет казаться, что именно он находится в центре расширения, вернее растяжения вереницы машин, так как все остальные машины — и передние и задние — будут от него удаляться: передние уходить все дальше и дальше, задние — все сильнее отставать.

Точно так же и метагалактическое красное смещение свидетельствует лишь об увеличении расстояний, отделяющих от нас другие галактики, но вовсе не о том, что именно мы находимся в центре. Если бы мы переместились в какую-либо иную галактику, нам стало бы казаться, что именно она является центральной.

— А теперь, — сказал я, — мне хотелось бы взглянуть на всю проблему, так сказать, с противоположной стороны. Что было бы, если бы Метагалактика не расширялась, а, скажем, сжималась?

— Если бы сжатие длилось уже миллиарды лет, мы вместо красного смещения в спектрах галактик наблюдали бы фиолетовое, — заметил Зельманов. — Сдвиг излучения происходил бы в сторону более высоких частот и яркость неба была бы не ослаблена, как это имеет место в действительности, а, наоборот, усилена. В подобных условиях в нашей области Вселенной жизнь не могла бы существовать.

— Значит, мы отнюдь не случайно живем именно в расширяющейся системе галактик и наблюдаем именно красное смещение в их спектрах?

Зельманов улыбнулся:

— По этому поводу я обычно говорю так: мы являемся свидетелями природных процессов определенного тина, потому что процессы иного типа протекают без свидетелей. В частности, жизнь невозможна на ранних стадиях расширения и на поздних стадиях сжатия.

Гравитация, коллапс и «черные дыры»

Итак, почти не приходится сомневаться в том, что мы живем в расширяющейся Вселенной и наблюдаем разбегание звездных систем — галактик. Причем словечко «почти» — здесь всего лишь необходимая дань философской убежденности в относительном характере научных истин.

Что же касается геометрии расширяющегося мира, то в однородной изотропной Вселенной она целиком зависит от количества материи. Или, что то же самое, от ее средней плотности.

И от этого, в частности, целиком зависит конечность или бесконечность пространства.

Или — или… Третьего не дано!

Но, увы, даже в рамках этой теории возможность столь простого выбора между конечным и бесконечным в значительной степени обманчива. Ведь, помимо бесконечности пространственной, могут быть и другие бесконечности и притом куда более неопределенные.

Например, теория однородной изотропной расширяющейся Вселенной приводит к такой явно парадоксальной бесконечности — бесконечной плотности вещества до начала расширения. Современная астрофизика знает плотности до 100 миллионов тонн в одном кубическом сантиметре: таковы плотности нейтронных звезд-пульсаров. Еще выше плотность атомного ядра. Но бесконечно большая плотность?

Какое реальное состояние за этим скрывается, трудно сказать. А может быть, появление бесконечно большой плотности свидетельствует просто о неблагополучии теории?.. Может быть, все дело в том, что общая теория относительности, не учитывает квантовых эффектов, которые в области сверхвысокой плотности должны сильно возрастать?

Здесь астрофизика и космология непосредственно смыкаются с физикой микромира. Но эта проблема еще ждет своего решения.

Вернемся, однако, к геометрии. Она определяется средней плотностью материи. В однородной Вселенной. А если Вселенная неоднородна?

— Однородные изотропные модели, видимо, следует рассматривать лишь как одно из приближений к реальной картине мира, — утверждает Зельманов. — Есть веские основания полагать, что структура и свойства реальной Вселенной гораздо сложнее.

И поясняет свою мысль:

— Ведь если Вселенная в самом деле однородна, то из этого автоматически следует, что поведение и свойства мегаскопических характеристик в каждую данную эпоху везде одинаковы. Такое положение вещей не только допускает возможность безудержной экстраполяции, но прямо ее требует. Другими словами, любые данные, характеризующие охваченную наблюдениями область (например, средняя плотность вещества и т. п.), не только могут, по и должны быть распространены на бесконечную Вселенную. А такая экстраполяция вряд ли может быть оправдана!

Разумеется, это — соображения уже философского порядка. Но здесь как раз тот случай, когда вмешательство философии крайне необходимо. Ведь проблема, о которой идет речь, расположена вблизи самых границ современного знания. А именно в таких ситуациях философские соображения могут оказать незаменимую помощь в выборе наиболее правильного пути.

Впрочем, накопилось немало наблюдательных фактов, которые указывают на то, что материя во Вселенной распределена далеко не равномерно, в особенности если речь идет о сравнительно небольших областях пространства.

А если так, то о чем, собственно, может рассказать нам средняя плотность, даже если мы вычислим ее с предельной точностью? Ведь ото все равно, что, скажем, подсчитать средний годовой доход жителя какого-нибудь крупного города в капиталистической стране. Он может оказаться вполне приличным и даже впечатляющим. Но в действительности за этим «средним благополучием» наверняка будут скрываться самые разительные контрасты. Ведь в это среднее войдут, с одной стороны, ужасающая нищета десятков тысяч людей, а с другой — баснословные доходы нескольких мультимиллионеров.

У различных областей неоднородной Вселенной может быть своя средняя плотность. А значит, и своя кривизна. И своя геометрия.

Известный американский физик Р. Оппенгеймер рассмотрел в свое время любопытную теоретическую возможности Если очень большак масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то ее сжатие под действием собственного тяготения может быть неудержимым. Наступит беспрецедентная катастрофа — гравитационный коллапс.

Впрочем, это было лишь чисто теоретическое исследование, построенное по принципу: «рассмотрим некоторую воображаемую ситуацию и попытаемся выяснить, что из нее получается…»

Одним из первых советских ученых, попытавшихся применить идею гравитационного коллапса к реальным объектам, был профессор Кирилл Петрович Станюкович.

Кирилл Петрович — доктор технических наук. Но в то же время ему принадлежит ряд оригинальных работ по теоретической физике.

— Хорошо известно, — говорит Кирилл Петрович, — что в конце прошлого века некоторым казалось, будто развитие науки закончено. И уж никто не мог представить себе, что на протяжении жизни одного поколения могут возникнуть такие науки, как квантовая механика и теория относительности, вызвавшие революцию в образе мышления физиков. Казалось бы, эта поучительная история должна была бы отбить охоту утверждать, что физическая наука может когда-нибудь закончиться. Однако время от времени высказывается мнение, что физика в один прекрасный день может исчерпать свой предмет.

Разумеется, профессор Станюкович с подобным мнением активно не согласен.

— Вспомним Бора, Лобачевского, Ньютона, Эйнштейна, — продолжает он, — и других основоположников науки о пространстве, времени и материи, которые не только исходили из известных им фактов, но, используя свою фантазию, выдвигали и исследовали гипотезы, прямо-таки противоречащие установившимся теориям. Так стоит ли нам канонизировать их мысли? Стоит ли подгонять под их уравнения всю наблюдаемую Вселенную вместо того, чтобы использовать их успехи прежде всего как поучительные образцы умения думать, умения привнести в теорию о Вселенной нечто от себя.

Сам Станюкович старается следовать именно этому принципу.

Из-под его «теоретического» пера и родилось любопытное образование — «планкеон». Так назвал его Кирилл Петрович в честь знаменитого физика Макса Планка.

По существу, речь идет о «микроколлапсе». Оказывается, для его возникновения масса порядка одной стотысячной доли грамма должна обладать радиусом порядка 10^-33 см, что во много раз меньше радиуса электрона. Плотность подобного образования будет поистине чудовищна — в каждом кубическом сантиметре 10⁹⁵ г! Для сравнения можно напомнить, что средняя плотность вещества Земли составляет всего 5 г/см³.

По существу, «планкеоны» — это замкнутые в себе эйнштейновские микровселенные. Находящиеся внутри планкеонов частицы движутся не по прямым линиям, а по замкнутым траекториям, которые нигде не выходят за пределы их поверхности.

Планкеоны независимо от их массы можно считать своеобразными элементарными частицами. Впрочем, точнее, их надо было бы назвать «мертвыми» или «спящими» — законсервированными частицами.

Подсчеты, проделанные Станюковичем, показывают, что планкеоны больших энергий должны встречаться во Вселенной чрезвычайно редко — приблизительно один планкеон на 10 тысяч кубических километров пространства.

Однако планкеонов, в которых заключены небольшие энергии, может быть значительно больше. Не исключена возможность, что они входят в состав протонов и нейтронов в качестве центральных ядер этих частиц. Но это, разумеется, лишь самое предварительное предположение.

Есть и другая гипотеза, согласно которой планкеоны — это не что иное как кварки — гипотетические фундаментальные частицы с дробными электрическими зарядами, из которых построены многие элементарные частицы и поисками которых сейчас заняты физики.

Однако может оказаться, что связь между планкеонами и обычными элементарными частицами носит совсем иной характер.

Академик М. А. Марков и профессор Станюкович высказали оригинальную гипотезу, согласно которой обычные элементарные частицы представляют собой не что иное, как наблюдаемую часть планкеонов. Эти частицы с очень большой частотой, если можно так выразиться, периодически «высовываются» из своих планкеонов и «прячутся» обратно.

Но так как масса ненаблюдаемого вещества, заключенного в планкеонах, во много раз больше массы «высовывающихся» из них наблюдаемых частиц, то это может означать, что ненаблюдаемая масса нашей Метагалактики во много раз больше наблюдаемой.

Согласно гипотезе Станюковича планкеоны, взаимодействуя с обычными частицами, должны время от времени «раскрываться». При таком раскрытии во Вселенную выбрасывается некоторое количество элементарных частиц, находившихся до этого в скрытой неуловимой форме. «Спящая» материя просыпается…

Ни планкеоны, ни аналогичные частицы «максимоны», придуманные академиком М. А. Марковым, пока что не обнаружены. Но за последние годы в глубинах Вселенной открыт целый ряд явлений, которые говорят о возможности концентрации огромных масс в сравнительно небольших областях пространства.

К подобным состояниям могут, например, приводить заключительные этапы в жизни звезд.

Звездный зал Московского планетария. Огромный сферический купол, поблескивающие многочисленными объективами черные шары главного аппарата в центре, голубой полусвет как всегда настраивают на какую то космическую ноту. Идет публичная лекция. На кафедре доктор физико-математических наук Игорь Дмитриевич Новиков.

Игорь Новиков не случайный гость в планетарии. Когда-то он пришел сюда школьником и в астрономическом кружке познакомился с наукой о Вселенной. Здесь он не только впервые взглянул на небо в телескоп, но и научился оригинально мыслить, в бесчисленных спорах и диспутах оттачивал ум будущего исследователя. А потом Московский университет, аспирантура — он был учеником Зельманова, — защита диссертации.

И вот, Новиков — сотрудник академика Якова Борисовича Зельдовича, одного из крупнейших физиков-теоретиков, посвятившего в последние годы свои усилия исследованию Вселенной.

В планетарии не ведут научных наблюдений неба, не разрабатывают новых теорий. Под искусственными звездами читаются популярные лекции о достижениях и проблемах науки о Вселенной.

Как-то один американский турист, увидев длинную очередь, выстроившуюся возле кассы в вестибюле планетария, восхищенно воскликнул:

— Да у вас в стране всеобщее астрономическое образование!

Верно сказано. Но в планетарии посетителей не просто знакомят с новейшими представлениями о Вселенной. Современная астрономия поучительна. Она динамична, полна новых идей, она то и дело сталкивает нас лицом к лицу с удивительнейшими фактами. Она учит смело мыслить, обобщать, анализировать, искать неожиданные связи между явлениями, философски осмысливать сложные проблемы.

Среди тех, кто пришел на лекцию Новикова, — школьники, студенты, научные работники, рабочие, инженеры. И, может быть, среди них будущие Эйнштейны и Фридманы.

А Игорь Дмитриевич рассказывает об одном из самых удивительных сюрпризов Вселенной — «черных дырах» и космосе.

Речь идет о заключительных этапах в жизни звезд, о том, что происходит с этими небесными телами после того, как в их недрах выгорает ядерное топливо.

Падают давление и температура в центральной части звезды, и она под действием собственного притяжения начинает сжиматься. Если масса звезды меньше массы Солнца, то в результате такого сжатия она превращается в белого карлика — небольшую звезду с плотностью около тысячи тонн в одном кубическом сантиметре.

Если масса звезды превосходит полторы солнечные массы, то сжатие продолжается и дальше. Звезда теряет устойчивость. Взрываются остатки ядерного горючего, сохранившиеся в поверхностных слоях, — со звезды срывается ее внешняя оболочка. Происходит явление, получившее название вспышки Сверхновой.

Если же масса сжимающейся звезды превосходит солнечную примерно в 2–3 и более раз, то согласно теории тяготения даже при огромной плотности спрессованного вещества, достигающей плотности атомного ядра, упругость прижатых друг к другу частиц не может остановить катастрофического сжатия. Вот тогда-то и возникает гравитационный коллапс.

Но все это — лишь предисловие. Предисловие к тому удивительному выводу, который имеет самое прямое отношение к геометрий окружающего нас мира.

— В процессе сжатия, — говорит Новиков, поясняя спроектированную на купол зала схему, — напряженность ноля тяготения на поверхности, коллапсирующего тела растет, и наступает момент, когда вторая космическая скорость, то есть скорость освобождения от притяжения сжавшейся звезды, оказывается равна скорости света.

И тогда возникает поразительная ситуация. Ни одна частица, ни один луч света не может преодолеть огромного притяжения и вырваться изнутри подобного образования наружу. Пространство сколлапсированного объекта как бы «захлопывается», и для внешнего наблюдателя он перестает существовать.

Это и есть «черная дыра».

Так как при коллапсе масса звезды не меняется, сохраняется ее статическое гравитационное поле. И хотя сколлапсировавшая звезда как бы исчезает из нашего мира, в действительности она продолжает взаимодействовать с окружающими объектами своим полем тяготения.

Как подчеркивают Я. Зельдович и И. Новиков, общая кривизна пространства в больших масштабах и замкнутость или бесконечность Метагалактики зависят от плотности всех видов материи, в том числе и «застывших звезд».

Астрономические расчеты показывают, что в нашей Галактике примерно 30 процентов звезд обладают массами достаточно большими, чтобы их существование закончилось гравитационным коллапсом. Исходя из этого можно приблизительно оценить число «черных дыр», уже имеющихся в нашей Галактике. Возможно, их не меньше миллиарда.

Но если во Вселенной могут происходить те удивительные явления, о которых только что говорилось, то возникает один любопытный вопрос.

Если Вселенная конечна и замкнута, нельзя ли, двигаясь по лучу света, совершить кругосветное, или, точнее, «круговселенное», путешествие, подобное путешествию вокруг Земли, то есть путешествие с возвращением в исходную точку? Разумеется, вопрос ставится чисто абстрактно, ибо при этом приходится отвлекаться от времени, необходимого для осуществления подобного замысла и технических возможностей.

Если бы материя была распределена в пространстве равномерно, так сказать, «равномерно» размазана по всему пространству, то путешествие, о котором идет речь, в принципе, вероятно, оказалось бы возможным. И, направив какой-нибудь супертелескоп в противоположную точку небесной сферы, мы, возможно, могли бы увидеть самих себя.

Но в неоднородной Вселенной наша «прямая» линия будет испытывать многочисленные местные искривления и вряд ли вернется к месту старта. Дело обстоит еще сложнее. На нашем пути могут встретиться многочисленные черные дыры с их могучим притяжением и другими пространственно-временными сюрпризами, которые способны сделать дальнейшее путешествие просто невозможным.

Таким образом, если бы мы даже и располагали необходимым временем и соответствующими техническими средствами, «круговселенное» путешествие оказалось бы куда более сложным делом, чем путешествие вокруг Земли. И не только круговселенное, по даже просто полет в намеченную точку мирового пространства.

Нельзя ли, однако, воспользоваться иным способом путешествий по Вселенной? Вернемся на время на Землю и проделаем такой «мысленный» эксперимент: попытаемся совершить путешествие из некоторой точки на экваторе в противоположную. Казалось бы, кратчайший вариант — движение по экватору или по меридиану. В этом случае нам придется преодолеть около 20 тысяч километров. Но есть еще одна теоретическая возможность. Поскольку поверхность нашей планеты искривлена, до противоположной точки на экваторе можно в принципе добраться прямиком сквозь тело Земли. Разумеется, если располагать для этого соответствующими техническими средствами. Тогда наш маршрут сократится до 13 тысяч километров.

Поскольку пространство Вселенной также искривлено, естественно возникает вопрос: нельзя ли воспользоваться подобным же способом и для путешествий по Вселенной? Кстати, им широко пользуются современные писатели-фантасты на страницах своих произведений.

Но все дело в том, что для путешествия «напрямик» из одной точки экватора в противоположную нам пришлось «проколоть» Землю, иными словами, выйти из двумерного пространства земной поверхности в трехмерное.

Чтобы «проколоть» искривленное мировое пространство, нам надо было бы выйти в следующее — четвертое измерение. Но, увы, пространство, в котором мы живем, хотя и искривлено, но трехмерно. И потому ускоренный метод космических путешествий, о котором идет речь, хотя и заманчив, но, к сожалению, навсегда, видимо, остается уделом лишь научной фантастики, возможно, было бы точнее сказать — ненаучной фантастики.

От парадоксов к парадоксам

Как мы уже могли убедиться, путь к решению особо сложных естественнонаучных проблем нередко идет через преодоление всякого рода парадоксов.

«Порвалась связь времен» — в величайшей тревоге восклицает шекспировский Гамлет. Но если бы датский принц был диалектиком, он понимал бы, что именно тогда, когда рвется «связь времен», — цепь привычных причин и следствий, — создаются наиболее благоприятные условия для прогресса, для скачка в неизвестное.

Парадокс в науке, то есть явление, противоречащее привычным теориям и представлениям, — почти всегда сигнал о неведомых возможностях, указание на хорошо замаскированную природой потайную дверцу, за которой открываются совершенно новые пути в неизвестное.

«Расправившись» с парадоксами классической физики, теория относительности принесла с собой новые, не менее удивительные.

Если во Вселенной действительно существуют «черные дыры» и замкнутые области пространства, то в этих областях могут происходить совершенно поразительные вещи.

Об одной из таких возможностей рассказывают в своей книге «Релятивистская астрофизика» Я. Зельдович и И. Новиков.

Оказывается, коллапсирующее тело, которое для внешнего наблюдателя вошло внутрь сферы Шварцшильда[13], уже не может вновь расшириться так, чтобы выйти из-под этой сферы к тому же наблюдателю, который видел ее сжатие.

Для этого наблюдателя все, что следует за тем моментом, когда тело прошло через критический радиус, является абсолютно недоступным.

Но можно представить себе наблюдателя, разумеется, гипотетического, который сжимается вместе с коллапсирующим веществом. В процессе сжатия он в какой-то момент тоже пересечет сферу Шварцшильда и перейдет, таким образом, из внешнего пространства в замкнутое внутреннее пространство коллапсирующего объекта.

Теория утверждает, что при некоторых условиях гравитационное сжатие может смениться расширением еще до того момента, как плотность сжимающегося вещества достигнет бесконечной величины. Бесконечной она будет только в центре сжатия.

При расширении, очевидно, наступит момент, когда наш «внутренний» гипотетический наблюдатель вновь пересечет сферу Шварцшильда, но на этот раз изнутри, и снова выйдет во внешнее эвклидово бесконечное пространство.

Но все дело в том, что это будет уже не то пространство, из которого происходит сжатие. Новая пространственная область лежит по отношению к прежней в «абсолютном будущем», и между этими двумя бесконечными областями не может быть никакого обмена информацией или какими-либо другими сигналами.

Этот вывод о двух эвклидовых пространствах, разделенных временной бесконечностью, лежащих относительно друг друга в «абсолютном будущем» и в «абсолютном прошлом», представляется довольно странным и даже фантастическим.

И надо прямо сказать, что вопрос о том, что происходит при коллапсе с точки зрения «внутреннего» наблюдателя, остается во многом еще совершенно неясным, и, в частности, трудно сказать, имеет ли он реальный физический смысл и какой именно можно сделать вывод о Двух отделенных друг от друга бесконечных эвклидовых пространствах.

Но этот пример еще раз убедительно показывает, к каким удивительным, необычным, экзотическим ситуациям приводит изучение геометрических свойств окружающего нас мира, особенно в тех случаях, когда мы сталкиваемся с физическими условиями, в той или иной мере соприкасающимися с бесконечностью.

В последнее время появилась еще одна удивительная гипотеза, связанная с «черными дырами». По существу, «черная дыра» — это область, которая поглощает сама себя и окружающую материю. Вещество, попадающее в эту область, как бы безвозвратно проваливается в бездну, А может быть, в самом деле, проваливается? В другую Вселенную…

Может быть, в нашей Вселенной есть своеобразные стоки, соединяющие ее с другой или с другими вселенными? И тогда в пространстве этой другой Вселенной возникают объекты, истекающие веществом, которые по аналогии можно назвать «белыми дырами».

Таким образом, не исключена возможность, что пространство нашей Вселенной соединено с пространствами других вселенных своеобразными туннелями, по которым происходит перекачка вещества. А входы и выходы этих туннелей и есть «черные» и «белые» дыры.

В связи с этим невольно вспоминается высказывание известного английского астрофизика Джемса Джинса, еще в 1928 году предположившего, что центры галактик имеют характер «сингулярных точек», в которых «материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно постороннего пространства. Тем самым обитателям нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя».

Но если наряду с пространством нашей Вселенной существуют иные пространства иных вселенных и между ними происходит обмен материей, то должны видоизмениться многие привычные нам физические закономерности, в том числе закон сохранения материи. Не исключена также возможность, что по «туннелям», связывающим различные миры, проникает не только материя, но и какие-то пока еще не известные нам воздействия, которые могут оказывать влияние на многие явления нашей Вселенной.

Мы снова в планетарии. На этот раз физическая аудитория. Семинар лекторов. Выступает академик Наан.

Он стоит возле края демонстрационного стола, как всегда, внешне невозмутимый и спокойный и, как о чем-то обыденном, рассказывает о явлениях, заведомо превосходящих возможности человеческого воображения.

— Возможно, что в ходе катастрофического сжатия достигаются бесконечные плотности и бесконечные кривизны пространства-времени. По что при этом происходит, пока остается неясным, так как в подобных ситуациях должны играть весьма существенную роль квантовые эффекты, а квантовая теория сильного гравитационного поля, к сожалению, пока еще не построена. Как представить себе физически бесконечную кривизну пространства — этого мы не знаем. Но это во всяком случае что-то очень необычное. Нечто, скажем, вроде перерыва постепенности или вроде щели во времени. А щель во времени — это, конечно, очень неприятная с точки зрения всех современных представлений вещь, это означает прекращение всяких связей, в том числе причинных связей, а отсюда — открывается принципиальная возможность существования, скажем, других вселенных, почти никак не взаимодействующих с нашей. Возможно, что существует некоторый предел плотности и кривизны, но и в этом случае физические условия столь экзотичны, что современная теория о них ничего сказать не может. И вообще в области коллапса пространство и время могут приобретать совершенно удивительные с нашей привычной точки зрения свойства.

И Густав Иоганнович все с тем же невозмутимым видом развертывает перед присутствующими поразительную картину.

Оказывается, в районе, где совершается катастрофическое сжатие, есть области, в которых время течет с бесконечно большой быстротой. Для наблюдателя (разумеется, гипотетического), оказавшегося в такой области, целая вечность от бесконечно далекого прошлого до бесконечно далекого будущего длилась бы всего лишь какое-нибудь мгновение. Иными словами, здесь нет ни будущего, ни настоящего, ни прошлого — фактически не существует времени.

В том же районе гравитационного коллапса можно указать и такие области, в которых пространство стягивается в точку, то есть фактически не существует пространства.

Есть также основания предполагать, что в области очень сальных гравитационных полей и, в частности, в районе коллапса, нарушается и свойство односвязности пространства.

Односвязность означает, что в нашем пространстве любой замкнутый контур может быть непрерывной деформацией стянут в произвольную точку, расположенную внутри этого контура. Другими словами, это означает, что в нашей Вселенной нет «оторванных» друг от друга кусков, разделенных непреодолимыми «пропастями».

А если пространство становится многосвязным, состоящим как бы из отдельных кусков, то в каждом из этих кусков течение времени может происходить независимо и в разных направлениях. Но в таком случае в момент перехода из одного «куска» в другой, если, разумеется, такой переход вообще возможен, наблюдатель обнаружил бы, что время вдруг потекло иначе, чем раньше, например, вспять.

В области коллапса возможен и такой случай, когда пространство теряет так называемое свойство ориентируемости, присущее нашему обычному пространству. Практически это означает, что наблюдатель, движущийся в таком пространстве по замкнутому контуру, вернувшись в исходную точку, мог бы обнаружить, что в результате «кругового» путешествия течение времени изменилось на обратное.

— Все эти явления, — заключает Наан, — на первый взгляд представляются парадоксальными. Но парадоксы возникают именно тогда, когда наука вплотную подходит к неизвестному. А познание неизвестного неизбежно влечет за собой переоценку привычных взглядов. Поэтому мы должны быть готовыми к тому, что многие положения, которые в настоящее время кажутся нам незыблемыми, а также некоторые законы, которые мы считаем «абсолютными» (например, закон сохранения), по мере дальнейшего развития наших знаний окажутся вовсе не такими уж «незыблемыми» и не столь «абсолютными». Но, разумеется, это не означает, что прежние законы будут начисто «отменены»: просто они окажутся частными, предельными случаями еще более общих законов.

— Вы говорите о новых идеях, которые относятся к геометрическим свойствам Вселенной, — спрашивает кто-то из присутствующих. — Вы имеете в виду какие-либо конкретные идеи?

— Лично меня привлекают идея, связанные с природой вакуума, — говорит Наан. — На мой взгляд, вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, скомпенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокупность, единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Возможно, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут возникать все другие виды вещества и материи. И я думаю, что со временем на смену существующей физической картине мира, оперирующей всевозможными полями — электромагнитным, гравитационным и т. д. — придет вакуумная картина.

— Выходит, вакуум — это основа всего?

— Да, я думаю, что основой всего во Вселенной как раз и является вакуум. А все остальное не более, как «легкая рябь» на его поверхности. Очень может быть, что с этой точки зрения удастся объяснить такие явления, как рождение космических лучей высоких энергий, вспышки Сверхновых, образование радиогалактик или квазаров, а также начало расширения Метагалактики.

Лицо Наана принимает заговорщическое выражение:

— Скажу вам, но только по секрету… До сих пор исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи (вещества, частиц, полей), а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит как раз наоборот: то есть свойства материи представляют собой не что иное, как проявление, как следствие определенных геометрических свойств пространственно-временного «каркаса»…

— Значит, теперь, — пытается резюмировать кто-то, — прежняя постановка вопроса «или-или» — или наша Вселенная конечна, пли бесконечна, устарела?

— Она устарела, — заметил Наан, — хотя бы вследствие результата, полученного Зельмановым. Об «относительности бесконечности»…

«Вселенная Зельманова»

Академик В. Фок, просмотрев эту работу, воскликнул:

— Да тут целых три докторские диссертации!

Речь шла об исследованиях Зельманова по неоднородной анизотропной Вселенной. Однако сам Зельманов, кандидат физико-математических наук, с защитой докторской не торопится. Считает, что по своим прежним результатам защищаться как-то уже неудобно, надо прежде получить новые.

Зельманов — человек чрезвычайно требовательный к себе, и решать подобные вопросы, разумеется, его право. Тем более, что дело в конце концов не в званиях, а в характере научных результатов. А результаты получены явно знаменательные.

Как мы уже говорили, сейчас вряд ли кто-либо всерьез сомневается в том, что гипотезы изотропии и однородности представляют собой лишь приближение к истинному положению вещей, быть может, не очень грубое, но все-таки приближение. Во всяком случае определенные следы уклонения от изотропии и однородности в движении и распределении галактик обнаруживают и астрономические наблюдения.

Особенно показательна анизотропия расширения — различие в темпе расширения Метагалактики по разным направлениям. Речь идет об измерениях скоростей разбегания галактик в зависимости от расстояния (так называемый параметр Хаббла). Современные наблюдения показывают, что этот параметр в зависимости от направления меняется приблизительно в полтора-два раза.

Правда, этот факт может быть истолкован двояко. Существует предположение, согласно которому наша Галактика входит в состав мощного скопления галактик, получившего название Сверхгалактики. И не исключена возможность, что анизотропия расширения объясняется вращением Сверхгалактики. В таком случае эта анизотропия относится лишь к Сверхгалактике. Но само существование Сверхгалактики уже свидетельствует о наличии известной неоднородности Вселенной.

Если же Сверхгалактики, как полагают некоторые астрономы, не существует, то тогда анизотропия параметра Хаббла есть анизотропия всей наблюдаемой части Вселенной.

И в том, и в другом случае однородной и изотропной Вселенной не получается.

Правда, некоторые исследователи все же придерживаются мнения, что в достаточно больших масштабах наблюдаемая Вселенная не обнаруживает заметных отклонений от однородности. Однако нельзя забывать, что мы располагаем пока еще довольно неполными сведениями о распределении материи в космосе.

Итак, нужна теория анизотропной неоднородной Вселенной. Нужна уже хотя бы для того, чтобы взглянуть с более общих и широких позиций на однородные изотропные модели.

Но, увы, уравнения, которые при этом получаются, слишком сложны, чтобы с ними удалось справиться современным математическим оружием. Да и фактов, на которые можно было бы опереться, слишком мало.

Эта ситуация волновала Зельманова на протяжении многих лет. И в конце концов он пришел к такому заключению: если решить желанные уравнения не удается — надо попытаться исследовать их качественно. Другими словами, не имея решений, выяснить их наиболее важные свойства. С помощью такого обходного маневра можно узнать немало интересного о поведении материи в анизотропной неоднородной Вселенной.

Удивительная эта все-таки наука — космология… Мы не в состоянии охватить своим взглядом пространство Вселенной, непосредственно увидеть все тонкости его строения. Но косвенно, с помощью соответствующих аналогий и различных мысленных моделей, с помощью математических построений, можем представить себе и такие объекты, с которыми никогда не встречались непосредственно в обыденной жизни, которых никогда не видели.

«К счастью мы обладаем измерительным инструментом, который не связан какими-либо границами тонкости, — говорил знаменитый физик. Макс Планк. — Это полет наших мыслей… мысленно мы можем заглянуть в атомное ядро, равно как и преодолеть космическое расстояние в миллионы световых лет».

И вот некоторые результаты, полученные Зельмановым.

Оказалось, например, что в неоднородной анизотропной Вселенной расширение в одних областях может сочетаться со сжатием в других, соседних областях пространства. А это значит, что наблюдаемое в настоящее время расширение отнюдь не обязательно является расширением всей нашей Вселенной.

Вполне возможно, что область расширения, внутри которой мы находимся, значительно превосходит ту часть Метагалактики, которая доступна современным наблюдениям, так как в противном случае к нам просачивалось бы жесткое ультрафиолетовое излучение, которое возникает в областях достаточно длительного сжатия.

При этом особенно интересно, что в теории анизотропной неоднородной Вселенной расширение не обязательно должно быть неудержимым, а сжатие — не обязательно катастрофическим до состояния сверхвысокой плотности. Есть и другие решения. И не исключено, что наблюдаемая часть Вселенной вообще никогда не проходила стадию плотности, близкой к ядерной, хотя в период перехода от сжатия к расширению плотность могла быть весьма высокой (например, порядка плотности белых карликов — около 10⁶ г/см³).

И еще на одно любопытное обстоятельство обратил внимание Зельманов. В неоднородной Вселенной может оказаться неодинаковым темп течения времени в различных областях — ведь согласно общей теории относительности он зависит от концентрации материи. Значит, одни и те же физические процессы в различных областях Вселенной могут протекать по-разному.

Следовательно, по отношению к очень протяженным физическим системам существенно изменяет свой смысл понятие развития системы как целого.

Колоссальная протяженность Метагалактики существенна и в другом отношении. Для того чтобы осуществилось взаимодействие между ее отдаленными друг от друга областями (чтобы то или иное физическое воздействие распространилось от одной области к другой), необходимы огромные промежутки времени, измеряемые миллиардами световых лет. А за такое время успевает существенно измениться общая картина Метагалактики. В подобной ситуации теряет привычный смысл даже самое понятие единой физической системы.

Но, пожалуй, все это только пролог к самому неожиданному результату.

Для того чтобы судить о тех или иных физических явлениях, надо выбрать систему отсчета. Но ведь это можно сделать различными способами. Как быть? Какой системе отдать предпочтение?

В однородной изотропной Вселенной решение этой задачи не составляет особых затруднений. Здесь есть система отсчета, единая для всей Вселенной и как бы «вмороженная в вещество». Если Вселенная сжимается или растягивается — эта система сжимается и растягивается вместе с ней.

И когда речь идет о конечности или бесконечности Вселенной, то имеется в виду конечность или бесконечность именно в этой системе отсчета.

Иное дело в анизотропной неоднородной Вселенной. Здесь движение материи может быть настолько сложным, что преимущественной системы отсчета не существует. А тогда…

Дело в том, что Зельманову удалось установить поразительную на первый взгляд вещь. Оказалось, что свойство конечности и бесконечности пространства — это свойство относительное. Оно зависит от системы отсчета.

Пространство конечное, то есть обладающее конечным объемом, в системе отсчета, движущейся по одному закону, в то же самое время может быть бесконечным относительно системы координат, движущейся по другому закону.

Если система отсчета у нас одна-единственная, проблема просто не возникает. Но в условиях неоднородной анизотропной Вселенной, где нет единой преимущественной системы отсчета, относительность конечности и бесконечности пространства уже нельзя игнорировать. В этой ситуации наше обычное противопоставление конечного и бесконечного оказывается некорректным.

Результат кажется парадоксальным. Но если задуматься и сопоставить его с другими выводами из теории относительности, то относительность бесконечности предстанет перед нами как явление, которого можно было ожидать. Ведь согласно специальной теории относительности пространственные и временные отношения между различными окружающими нас реальными объектами не являются абсолютными. Их характер целиком зависит от состояния движения данной системы. Так, в движущейся системе течение времени замедляется, а все масштабы длины — размеры протяженных объектов — сокращаются. И это сокращение тем сильнее, чем выше скорость движения. При приближении к скорости света, которая максимально возможная скорость в природе, все линейные масштабы уменьшаются.

Но если хотя бы некоторые геометрические свойства пространства зависят от характера движения системы отсчета, то нот ничего невероятного в том, что относительными оказываются и свойства конечности и бесконечности. Ведь эти свойства самым тесным образом связаны с геометрией.

Разумеется, выводы Зельманова не есть еще установление неких всеобщих геометрических свойств реальной Вселенной.

Значение этих результатов иное: благодаря им можно сделать чрезвычайно важный вывод. Даже с точки зрения теории относительности понятие бесконечности Вселенной значительно сложнее, чем это представлялось раньше.

Вот и еще один шаг, уводящий нас все дальше от классического «или-или». Совсем иной подход к постановке проблемы, по существу, иной взгляд на мир, а значит, и существенный сдвиг во всей системе нашего мышления.

Маленький диспут

Как известно, современная кибернетика пришла к выводу, что увеличение информации уменьшает неопределенность.

Между тем в изучении геометрических свойств Вселенной как будто все обстоит наоборот. Чем глубже мы исследуем эту проблему, тем неопределеннее она становится. И вот мы уже дошли до того, что, обнаружив конечные или бесконечные пространственно-временные образования, не имеем права делать никаких окончательных выводов. Конечное может оказаться бесконечным, а бесконечное — конечным…

И все же противоречие с кибернетикой здесь только кажущееся, и никакого парадокса не возникает. Та неопределенность, которая развертывается перед нами но мере изучения геометрических свойств мира, отнюдь не результат нашего незнания — она присуща самой природе.

В общем, в современной космологии происходит нечто подобное тому, что в свое время произошло в физике микромира. Ведь и там познание микроявлений лицом к лицу столкнуло ученых с неопределенностью в поведении микрочастиц.

Помните высказывание академика Гинзбурга о том, что неопределенность служит свидетельством фундаментальности проблемы.

Итак, неопределенность. Но в науке всякая неопределенность, каковы бы ни были се природа и происхождение, неизбежно вызывает к жизни различные точки зрения, порождает споры и дискуссии, возбуждает особый интерес не только среди естествоиспытателей, по и среди философов.

Представим себе на несколько минут, что мы оказались свидетелями одной из таких дискуссий. Участники ее безымянны. Но за каждым из них реально существующая точка зрения. И даже большинство слов, которые они произносят, принадлежит вполне реальным ученым.

Первый космолог: Я исхожу из того, что проблема бесконечности Вселенной сводится к вопросу о пространственной и временной конечности или бесконечности «Вселенной Фридмана», иными словами, Метагалактики. Проблема эта — чисто физическая, и решать ее следует в рамках теории однородной и изотропной Вселенной.

Второй космолог: То есть вы утверждаете, что Метагалактика — это и есть вся материя. Отождествляете «Вселенную Фридмана» со всем «материальным миром». Однако, на мой взгляд, для подобных утверждений нет абсолютно никаких оснований. И потому надо рассматривать такие космологические модели, которые «погружены» во внешний, так сказать, пространственный фон.

Первый космолог: Теория однородной изотропной Вселенной не нуждается ни в каком внешнем фоне. Метагалактика — это система наивысшего возможного порядка, она заключает в себе все пространство-время, и ее расширение — это расширение всей материи.

Второй космолог: Хотя ваши утверждения и столь безапелляционны, развитие космологии их отнюдь не подтверждает. Я мог бы сослаться на целый ряд исследований, например, работы А. Зельманова, Г. Наана, В. Амбарцумяна, которые убедительно показывают, что «Вселенная Фридмана» не охватывает всего материального мира. Более того, метрическая бесконечность, которой оперирует современная космология, — тоже лишь один из частных типов бесконечности. Поэтому если даже удастся решить вопрос о конечности или бесконечности Метагалактики в метрическом смысле — это все равно не будет еще решением вопроса о бесконечности Вселенной.

Третий космолог: Я хотел бы добавить к этому, что утверждение об однородности и изотропии Вселенной — все же чересчур далеко идущая идеализация. И, следовательно, решение проблемы конечности и бесконечности Метагалактики даже в метрическом смысле может оказаться гораздо более сложной задачей, чем это иногда представляется.

Философ: А я хотел бы подчеркнуть, что если даже свести проблему бесконечности Вселенной к вопросу о метрической конечности или бесконечности Метагалактики, то и тогда эта проблема не будет чисто «физической». Она связана и с определенными философскими предпосылками. Ведь такие вопросы, как правомерность отождествления «Вселенной Фридмана» со «всем существующим» или метрической бесконечности — с бесконечностью вообще, носят явно философский характер. Подобные операции возможны лишь на основе решения таких коренных философских вопросов, как проблема единства мира и проблема субъекта ж объекта познания, то есть взаимодействия исследователя с изучаемой реальностью.

Второй космолог: Я бы сказал так: в космологии проблема бесконечности, по существу, распадается на две проблемы, хотя и тесно связанные между собой, но все же различные. Одна из них — это проблема конечности или бесконечности тех или иных конкретных космических систем, например, Метагалактики. И эта проблема может быть решена средствами физики и математики. И притом окончательно и за конечный срок. Но есть и вторая проблема — несравненно более сложная: вопрос о бесконечности всего материального мира. Так вот эта проблема стыковая, пограничная, и решить ее можно только соединенными усилиями математики, астрономии и философии.

Первый космолог: Но при такой постановке вопрос вообще не может быть решен за конечное время существования любой цивилизации. К тому же наши эталоны бесконечности непрерывно меняются.

Второй космолог: Все, что вы сейчас сказали, — совершенно справедливо.

Философ: Не совсем согласен с вами обоими. Во-первых, проблема конечности и бесконечности таких физических систем, как, скажем, Метагалактика, — тоже отнюдь не чисто физическая проблема. Весьма существенную и притом активную роль в ее решении играет философия. А что касается бесконечности всего материального мира, то этот вопрос вообще нельзя ставить в естественнонаучном плане.

Второй космолог: Почему же?

Философ: Да потому, что «вся материя» не является объектом естествознания.

Второй космолог: Следовательно, вы считаете, что неопределенность, возникающая при решении проблемы бесконечности Вселенной, неизбежна лишь при отождествлении Вселенной со всем материальным миром?

Философ: Если согласиться с тем, что вселенные, с которыми имеет дело космология, — это конкретные физические системы, в частности, Метагалактика, — то для каждой из них вполне можно поставить вопрос об их конечности или бесконечности, например, в метрическом смысле.

Первый космолог: И получить окончательный ответ?

Философ: Само собой разумеется, что любой ответ всегда будет ограничен достигнутым уровнем познания.

Второй космолог: Насколько я вас понял, вы не разделяете мысль, сформулированную Нааном?

Философ: Мне кажется, точнее сказать примерно так: «Вселенная Фридмана», то есть Метагалактика может быть приближенно представлена метрически конечной или бесконечной космологической моделью.

Третий космолог: И, видимо, степень приближения значительно зависит от того, в какой мере Метагалактику можно считать однородной.

Философ: Да, конечно. Как показал А. Л. Зельманов, при учете анизотропии и неоднородности ситуация значительно усложняется.

Третий космолог: И в общем случае должна еще учитываться система отсчета, к которой относится тот или иной результат.

Философ: Вообще чем сложнее модель, тем сложнее получить ответ относительно геометрических свойств той Вселенной, которую эта модель описывает.

Второй космолог: Совершенно верно. Скажем, во «Вселенном Наана», состоящей из миров и антимиров, пространство может оказаться «разорванным», в нем могут появиться всякого рода щели.

Третий космолог: Я хотел бы обратить внимание на то, что обычно вопрос о конечности и бесконечности Вселенной почему-то рассматривается лишь в плане бесконечности пространства и времени. Между тем речь должна идти и о бесконечном многообразии физических условий и явлений, и о бесконечном многообразии взаимодействий и объектов различного масштаба.

Второй философ: Я внимательно выслушал все, что здесь говорилось, но не могу с этим согласиться. Вы все время подразумеваете, что космология решает проблему бесконечности Вселенной. Но, в действительности, космология решает иную задачу — проблему конечности и бесконечности «космической материи», то есть совокупности форм и состояний материи в Метагалактике. В частности, проблему ее пространственно-временной конечности и бесконечности. Что же касается бесконечности Вселенной, то ее бесконечность вытекает из основных принципов диалектического материализма и является окончательной, независимо от выбора той или ином космологической модели.

Третий космолог: Сводить проблему бесконечности Вселенной к чистой философии совершенно неправильно. Философия не может делать какие-либо окончательные выводы по этому поводу независимо от данных естественных наук.

Второй философ: Само собой разумеется. Никто и не отрицает, что вывод о бесконечном многообразии материального мира есть результат анализа и обобщения колоссального естественнонаучного материала.

Третий космолог: Вот именно результат, а не требование, которое иные философы пытаются от лица этой науки предъявить естествознанию. А вместе с ним и самой природе.

Второй философ: Я действительно считаю, что бесконечность есть некий атрибут, некое неотъемлемое свойство материи. Но еще раз повторяю: этот вывод основывается на всем опыте современного естествознания.

Второй космолог: Ну что ж, с такой постановкой вопроса вполне можно согласиться. Можно в самом доле сказать, что у Вселенной есть некое свойство, черта, особенность, называемое реальной бесконечностью.

Первый философ: Таким образом, вы оба рассматриваете бесконечность как черту, присущую лишь материальному миру самому по себе. И совершенно игнорируете взаимодействие объекта познания, то есть Вселенной, с познающим его субъектом, то есть с человеком.

Второй философ: Речь в данном случае действительно идет об объективных свойствах самой Вселенной, а не о процессе познания.

Первый философ: Но вне процесса познания мы вообще ничего не можем сказать о Вселенной.

Второй философ: Что же в таком случае следует понимать под бесконечностью?

Первый философ: С моей точки зрения, бесконечность материального мира — это его неисчерпаемость. С одной стороны, она обусловлена несотворимостью и неуничтожимостью материи и бесконечными разнообразием и превращаемостью ее форм, с другой — тем обстоятельством, что материальный мир неполно отражается в знании. Именно в связи с этим, то есть с процессом познания, и возникает прежде всего необходимость философского осмысления понятий конечного и бесконечного.

Еще раз о космологии

Итак, мы имели возможность убедиться в том, что космология — это своеобразная коллекция неопределенностей. С некоторыми из них мы уже познакомились. Но есть и другие.

И вот, пожалуй, самая главная из них.

По существу, космология должна ответить на вопрос: почему Вселенная именно такова, какая она есть?

Вопрос далеко не праздный, если учесть, что именно тот вариант Вселенной, который мы наблюдаем, далеко не самый вероятный среди всех мыслимых вариантов.

Касаясь этого вопроса, А. Зельманов высказал мысль, что Вселенная существует в том виде, в каком она есть, в силу внутренней необходимости.

Но, как заметил по этому поводу Г. И. Наан, подобное утверждение отнюдь не очевидно. В него хочется верить, но оно должно быть чем-то подкреплено. Может быть, действительно существовала внутренняя необходимость, а может быть, есть набор различных Вселенных?

Для того чтобы подойти к решению этой проблемы, предстоит выяснить многое. То, что пока остается неясным и неопределенным. Скажем, вопрос о том, почему Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества?

Но если космология — это целый комплекс неопределенностей уже в самых своих, можно сказать, исходных позициях, то, казалось бы, чего можно при такой ситуации ожидать от выводов этой науки? Разумеется, еще большей расплывчатости, неопределенности и недостоверности, подтверждающих точку зрения Бриллюэна.

Но — парадоксальная вещь — на деле все обстоит совсем иначе.

Как образно выразился академик Наан, космология строится из «деталей» и «узлов», которые частично «вырабатываются» ею самой, а частично «импортируются» из наблюдательной астрономии.

Распространено мнение, что «импортные» детали доброкачественны, а детали «собственного производства» крайне ненадежны.

— Но я считаю, — говорит академик Наан, — что положение как раз диаметрально противоположное. Наибольшее число «бракованных» деталей поступает именно из наблюдательной астрономии.

Если задуматься, то в этом, пожалуй, и нет ничего удивительного. Наблюдения космических явлений, представляющих космологический интерес, как правило, чрезвычайно сложны, а их результаты отягощены введением всевозможных поправок. Отсюда и ошибки в фактических данных, неизбежно влекущие за собой ошибочность и теоретических построений.

Когда Эйнштейн разрабатывал свою теорию «стационарной Вселенной», он, как мы уже знаем, исходил из астрономических данных того времени, которые утверждали, что скорости движения любых космических объектов существенно меньше скорости света. Все в этой теории было хорошо за исключением той ее части, которая опиралась на результаты наблюдений. А наблюдения подвези: они оказались ошибочными, а вместе с ними и вся «стационарная теория».

Наоборот, создавая теорию нестационарной, расширяющейся Вселенной, А. Фридман по тем или иным причинам, казалось бы, совершенно игнорировал наблюдательные данные. И тем не менее пришел к верному выводу о расширении Метагалактики, получившему убедительные подтверждения в астрономических наблюдениях. И хотя теория Фридмана раскрывает лишь кинематическую[14] сторону космологической проблемы и не решает вопроса о том, как произошли галактики и другие космические объекты, — она смогла правильно предсказать такой фундаментальный факт, как разбегание звездных систем.

Еще пример. Очень важной космологической характеристикой является «возраст» Метагалактики, точнее, верхняя граница продолжительности эпохи расширения. Величина, о которой идет речь, обратна «постоянной Хаббла», показывающей, как уже было упомянуто выше, насколько возрастает скорость разбегания галактик по мере увеличения расстояния.

В 1929 году постоянная Хаббла на основе астрономических наблюдений принималась равной 530 километрам в секунду на один мегапарсек[15]. В 50-х годах ее пришлось сократить вдвое. Через несколько лет значение постоянной вновь было уточнено и уменьшилось примерно до 200 км!сек на мегапарсек. Наконец в 1971 году еще более точные измерения привели астрономов к выводу, что постоянная Хаббла равна 53 км/сек на мегапарсек, причем возможная ошибка на этот раз оценивалась в плюс-минус 5 км/сек.

Соответственно менялись и оценки возраста Вселенной, точнее, его верхней границы: от 1 миллиарда 800 миллионов лет в. 1929 году до 18 миллиардов лет в 1971 году.

Так чему же все-таки верить: выводам «космологической гимнастики ума» или результатам, полученным с помощью наиболее мощных наблюдательных средств?

По мнению академика Наана, в космологии в гораздо большей степени оправдывались логические умозаключения, нежели данные астрономических наблюдений. Такова история…

Над этим стоит задуматься. Почему, в самом деле, космология, несмотря на все свои неопределенности и даже ошибочные «подсказки» наблюдательной астрономии, все-таки выдает результаты, верно описывающие реальное строение мира? Не «пахнет» ли это, так сказать, идеализмом? Может быть, правы некоторые буржуазные ученые, которые утверждают, что космология не изучает реальность, а сама ее конструирует?

Об опасности подобных ошибочных выводов предупреждал еще Ф. Энгельс: «…законы, абстрагированные из реального мира, на известной ступени развития отрываются от реального мира, противопоставляются ему как нечто самостоятельное, как явившиеся извне законы, с которыми мир должен сообразоваться»[16].

Стоит вспомнить, что ситуация, очень сходная о той, которая сложилась в космологии, характерна и для математики. Можно привести немало примеров, когда, казалось бы, самые отвлеченные, абстрактные математические конструкции, полученные путем чисто логических построений, совершенно неожиданно находят важнейшие области практических приложений. Так случилось с тензорным исчислением, которое стало математическим аппаратом общей теории относительности, с теорией групп, получившей самые широкие применения в теоретической физике, с математической логикой, ставшей теоретической основой кибернетики.

Не случайно известный физик Фримен Дайсон отмечает: «Математика для физика это не только инструмент, с помощью которого он может количественно описать любое явление, но и главный источник представлений и принципов, на основе которых зарождаются новью теории».

Но ведь возможность практического применения той или иной абстрактной математической теории как раз и означает, что эта теория верно отражает те или иные отношения реального мира, что из наблюдения реального мира она в конечном счете и родилась.

Ф. Энгельс убедительно показал сущность этого явления.

«Чистая математика, — писал он, — имеет своим объектом пространственные формы и количественные отношения действительного мира, стало быть — весьма реальный материал. Тот факт, что этот материал принимает чрезвычайно абстрактную форму, может лишь слабо затушевать его происхождение из внешнего мира. Но чтобы быть в состоянии исследовать эти формы и отношения в чистом виде, необходимо совершенно отделить их от содержания, оставить это последнее в стороне как нечто безразличное…»[17]

Эти соображения вполне применимы и к космологии. Очевидно, впечатляющие успехи космологической науки в предвидении реальных явлений объясняются тем, что уже современная космология и ее физическая основа — современная гравитационная теория (то есть общая теория относительности — ОТО) отражают какие-то чрезвычайно общие и фундаментальные объективные закономерности мироздания. А это, в свою очередь, означает, что независимость космологии от наблюдательных данных, от фактов, лишь чисто кажущаяся. И то, что отдельные результаты астрономических наблюдений, представлявшие космологический интерес, оказывались неверными, еще ни о чем не говорит. Ибо в конечном счете космология, как и общая теория относительности, ведет свое начало от реальных фактов, добытых у природы. Этим скорее всего и объясняется поразительная эвристическая сила космологических конструкций.

С другой стороны, было бы ошибкой представлять себе современную космологию в качестве некой всеобъемлющей и непогрешимой теории — «истины в последней инстанции». Дело не только в том, что подобный идеал в принципе недостижим. Вспомните замечание Зельманова: принципиальный недостаток современной релятивистской (то есть основанной на ОТО) космологии, как, впрочем, и дорелятивистской, состоит в том, что она дает для Вселенной в целом множество моделей, в то время как Вселенная в целом существует в единственном экземпляре.

Если так… А если Вселенная не одна? Если существует, как это предположил академик Наан, целый набор вселенных с разными свойствами?

Невольно вспоминается уже упомянутая нами любопытная идея того же Зельманова, согласно которой в бесконечно разнообразном мире может реализоваться вся совокупность явлений и условий, допускаемых основными физическими законами и теориями. Не отражает ли в таком случае разнообразие космологических, моделей разнообразие вполне реальных вселенных?

Правда, здесь есть одна тонкость, отмеченная Зельмановым: поскольку все космологические модели описывают неограниченные вселенные, не значит ли это, что речь в действительности идет не о различных объектах, а лишь о различных описаниях одного и того же объекта?

Действительно, на первый взгляд кажется, что иначе и быть не может: если какая-то система неограниченна, то она должна заполнить собой весь материальный мир. Во всяком случае так подсказывает здравый смысл.

Но мы уже не раз могли убедиться в том, что в подобных вопросах здравый смысл плохой судья.

Для начала приглядимся повнимательнее к тому случаю, когда наша система хотя и неограниченна в пространстве, но конечна. Обязаны ли совпадать между собой все пространственно-конечные неограниченные системы? Ведь можно же представить себе, например, две совершенно отличные друг от друга замкнутые сферические поверхности, которые как раз неограниченны, но конечны. Правда, такая возможность непосредственно связана с тем, что двумерная сферическая поверхность искривлена в трехмерном пространстве, то есть в пространстве с большим числом измерений. Что же касается пространства Вселенной, то оно трехмерно и искривлено в самом себе. Но ведь о геометрии мира мы знаем еще далеко не все.

Ну, а если наша система не только неограниченна, но к тому же еще и бесконечна? Значит ли это, что она обязательно заполняет собой весь мир?

Утверждать такое заранее было бы по меньшей мере неосторожно. Ведь нам хорошо известно, что бесконечности бывают разного ранга, разной мощности, что бесконечное множество может содержать в себе другую бесконечность и само быть частью бесконечности еще более высокого порядка.

Число точек на отрезке бесконечно. Но это лишь часть того бесконечного множества точек, которое содержится на всей прямой.

Неограниченная бесконечная плоскость — лишь часть неограниченного трехмерного континуума.

Одним словом, рассуждения чисто логического толка вряд ли помогут нам найти ответ на все те вопросы, которые волнуют современную космологию. Ведь космология порождена изучением закономерностей реального мира. И только его дальнейшие исследование способно снять вопросительные знаки, волнующие современных исследователей (как, впрочем, поставить и новые).

Не сложилось ли, однако, у читателя впечатление, что углубившись в космологические проблемы, мы как бы забыли о бесконечности и отклонились от главной темы книги?

Если такое впечатление действительно сложилось, оно и обманчиво, и ошибочно.

Дело в том, что наука — и естествознание, и философия— не занимается изучением «бесконечности вообще». «Бесконечность вообще» — это понятие совершенно неопределенное, и оно не может служить предметом научного исследования. Изучаются, как об этом уже говорилось в начале книги, определенные типы бесконечности: математическая, теоретико-множественная, бесконечность как бесконечная делимость, бесконечность как неограниченность пространства, бесконечность как бесконечность объема или длительности, бесконечность как бесконечность тех или иных физических характеристик — плотности, энергии и т. п. Наконец, бесконечность как неисчерпаемость. Возможно, со временем будут открыты и другие типы бесконечности.

Наибольшее принципиальное философское значение имеет вопрос о неограниченности пространства и неисчерпаемости окружающего нас мира.

Первый из этих вопросов, по существу, равнозначен вопросу о материальном единстве мира. Согласиться с тем, что материя ограниченна в пространстве, — все равно, что признать существование сверхъестественного. Ведь богословы как раз и утверждают, что, помимо мира материального, за его границами, будто бы существует мир высший, божественный, занимающий главенствующее положение. Таким образом, вопрос о неограниченности материального мира — это принципиальный философский вопрос, и его отрицательное решение равносильно отказу от материализма.

Не менее принципиальное значение имеет вопрос о неисчерпаемости мира. Его решение также относится к компетенции философии.

Утверждение о бесконечном разнообразии реальных явлений и неограниченном характере процесса их познания человеком — одно из основных фундаментальных положений диалектического материализма. К этому вопросу мы еще вернемся.

Что же касается других упомянутых выше типов бесконечности, то выяснение их свойств не может быть достигнуто на основе одних лишь общефилософских соображений, для этого необходимы соответствующие естественнонаучные исследования. Разумеется, и в этом случае роль материалистической философии велика, так как без ее помощи невозможно осмыслить конкретные научные данные.

Основные результаты, связанные с изучением математической и теоретико-множественной бесконечностей, были достигнуты еще в прошлом столетии.

XX век, в особенности его вторая половина с ее устремлением в космос, выдвинул на первый план проблему пространственной бесконечности Вселенной. Но как мы уже знаем, эта проблема тесно связана с изучением геометрических свойств окружающего нас мира. А эти свойства, в свою очередь, непосредственно зависят от распределения и эволюции различных форм материи, то есть от таких процессов, которые изучаются космологией. Стало быть, вне современной космологии вопрос о пространственной бесконечности Вселенной мы вообще ставить не можем.

Получается неизбежная цепочка: проблема пространственной бесконечности Вселенной — геометрия Вселенной — космология, то есть цепочка, которая с необходимостью приводит нас к космологии.

Другими словами, приблизиться к решению вопроса о конечности иди бесконечности Вселенной можно только путем космологических исследований.

Надо также заметить, что современная космология вобрала в себя и все те результаты исследования бесконечного, которые были получены в других областях естествознания. Именно здесь возвышается, пожалуй, главная вершина современного учения о бесконечности.

«Мега» и «Микро»

С другой стороны, на современном этапе развития наших знаний проблема конечного и бесконечного требует глубокого и всестороннего изучения космических объектов и объектов микромира.

В современной физике, хотя, разумеется, на совершенно ином уровне, опять встает вопрос, волновавший в свое время древнегреческих мыслителей, вопрос о бесконечной делимости.

«Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»[18]

Этот глубочайший вывод был сделан В. И. Лениным в начале нашего столетия.

И дело, видимо, не только в бесконечном многообразии свойств электрона, как, впрочем, и других элементарных частиц, но и в его сложном внутреннем строении.

Вряд ли среди современных физиков найдется кто-либо, сомневающийся в том, что реальные элементарные частицы обладают внутренней структурой. Между тем существующие физические теории и по сей день рассматривают их в качестве геометрических точек. Но ведь частицы обладают вполне реальными массами, а точка массой обладать не может.

Нелепость?

Как образно выразился директор Международного центра теоретической физики в Триесте на недавнем Международном симпозиуме по современным проблемам физики:

— Мы построили сами такой своеобразный дом, который не имеет ни дверей и ни окон, но зато имеет столь высокие стены, что трудно судить, то ли это дом, то ли это тюрьма…

Во всяком случае мы опять столкнулись с сакраментальным «или — или». Или частицы — точечные образования, или придется, по крайней мере в очень малых пространственных областях, отказаться от основного постулата теории относительности — запрета сверхсветовых скоростей. А если потянуть за эту ниточку, не только затрещит по швам вся современная физика, но и придется пересмотреть наше привычное понимание причинности. Ведь при сверхсветовых взаимодействиях следствие может опережать свою причину.

Разведка велась и в том, и в другом направлениях, однако не принесла ничего обнадеживающего. В свое время подобная ситуация представлялась бы безвыходной, но теперь-то мы уже знаем, что классическое «или — или» отнюдь не исчерпывает всех возможностей.

Так, уже существующая физическая теория содержит известные указания на то, что элементарные частицы все же имеют пространственные размеры, но не в том смысле, как это мы обычно понимаем.

Поскольку любая реальная частица всегда взаимодействует с вакуумными полями, ее окружает облако так называемых виртуальных частиц. Виртуальные частицы — это своеобразные частицы-призраки, которые в одно и то же время и существуют и не существуют. Они испускаются частицей и в то же мгновение поглощаются.

Виртуальное облако можно было бы посчитать за чисто математический прием описания, если бы при взаимодействии элементарных частиц между собой и с электромагнитным полем не проявлялась совершенно реальная «размазка» электронного заряда, магнитного момента и массы этих частиц. И такая размазка становится все сложнее по мере перехода в ультрамалые области.

И в этом смысле элементарные частицы — протяженные образования. Но протяженность эта не геометрическая, а, если можно так выразиться, динамическая.

Видимо, мы находимся на пороге открытия каких-то еще не известных нам свойств пространства и времени.

Тем не менее физики не оставляют надежды найти и какой-нибудь иной выход из положения. С этой целью предпринимаются попытки всевозможных обходных маневров — в надежде обнаружить такие свойства элементарных частиц, которые сделают ответ на поставленную выше дилемму просто ненужным.

Один из таких маневров — поиски неких фундаментальных частиц, из которых образуются все остальные. Это, например, гипотетические и достаточно нашумевшие кварки Гелл-Манна и Цвейга.

Другой маневр — гипотеза так называемого бутстрапа, выдержанная в стиле самых экстравагантных идей современной физики. Суть ее в том, что любая элементарная частица представляет собой комбинацию из всех остальных. Эта идея получила режущее ухо название «ядерной демократии». Современная вариация на тему о Едином и Многом Парменида и Зенона. Одно порождает многое, в то же время будучи само продуктом согласованного взаимодействия всех себе подобных.

Но хотя идея бутстрапа приводит к выводу, что может существовать лишь единственная совокупность самосогласованных одронов (то есть всех сильно взаимодействующих частиц — нуклонов, мезонов и гиперонов), именно та, которая и существует в природе, — задача изучения подобной совокупности необычайно сложна, так как, по всей вероятности, число подобных частиц бесконечно.

— Самый животрепещущий вопрос современной физики, — говорит один из основателей квантовой электродинамики нобелевский лауреат Ю. Швингер, — являются ли известные частицы основными и неразложимыми или же за ними существует более простая и фундаментальная подструктура и соответственно более глубокий уровень описания и понимания?

И вновь это сформулированный на новом уровне древний вопрос о том, бесконечна или конечна делимость вещества?

Проблема старая, но исходные рубежи существенно новые. Их составляют два фундаментальных открытия микрофизики XX столетия. Первое из них — обнаружение античастиц. Второе — эксперименты, в которых было установлено, что при столкновении двух частиц в зависимости от их энергии движения может рождаться любое число новых частиц.

— До сих пор мы были убеждены, что существуют только две альтернативы, — сказал по этому поводу выдающийся физик-теоретик Вернер Гейзенберг. — Либо вы можете делить вещество снова и снова на все более мелкие и мелкие куски, либо вы не можете делить его до бесконечности, и тогда вы приходите к наименьшим частицам. Теперь же мы вдруг обнаруживаем, что существует и третья возможность: мы можем делить вещество снова и снова, но мы никогда не получим более мелких частиц, так как новые частицы мы создаем посредством энергии, кинетической энергии, и, поскольку мы имеем дело с рождением пар, этот процесс может продолжаться без конца. Таким образом, возникло естественное, но парадоксальное представление об элементарной частице как о составной системе элементарных частиц.

Итак: не бесконечная делимость вещества Анаксагора, но и не атомизм Демокрита с его идеей неделимых и неизменных первоэлементов.

Как и современная космология, современная физика в решении проблемы конечного и бесконечного вырвалась за пределы магического «или — или»!

И, может быть, это сходство путей и достигнутых результатов не так уж и случайно: ведь в конце концов и микромир и мегакосмос — это две стороны материального мира. В конечном счете любой космический объект, как бы велик он ни был, состоит из микрочастиц.

В настоящее время известно около двухсот различных образований, претендующих на роль элементарных частиц. Среди частиц, обладающих массой покоя, крайнее положение занимает электрон. Масса этой частицы в особых энергетических единицах, применяемых в физике микромира, так называемых электрон-вольтах, составляет всего 0,5 Мегаэлектрон-вольта. Массы других элементарных частиц превосходят массу электрона. Так, например, масса протона — ядра атома водорода, самого распространенного элемента Вселенной — 1000 Мегаэлектрон-вольт.

Сравнительно небольшое число частиц мю-мезонов и пи-мезонов занимает по массе промежуточное положение между электроном и протоном. Большинство же элементарных частиц имеет массы, заключенные в промежутке между одной и двумя протонными массами.

Но есть и частицы — резонансы, масса которых превосходит массу протона в 5 раз. Возникает вопрос: до каких пор может увеличиваться масса элементарных частиц? Может быть, существует некоторая предельная масса? Однако есть и другое предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц простирается до бесконечности. Это предположение основывается на попытке провести определенную аналогию между строением всего семейства элементарных частиц и структурой атома основного химического элемента — водорода, который обладает бесконечным числом энергетических уровней.

Разумеется, эта аналогия, как и всегда, еще не есть доказательство, но она, если и не дает возможности описать свойства семейства элементарных частиц, то во всяком случае указывает на многообразие этих свойств.

Ну, а если в самом деле не существует верхнего предела для масс элементарных частиц?

Не значит ли это, что при определенных условиях, скажем, в ультрамалых пространственно-временных областях, могут рождаться макроскопические объекты?

Разумеется, нечто подобное может произойти лишь при очень высоких энергиях взаимодействий. Такие энергии на ускорителях пока еще не достигнуты. — Не могут здесь помочь и наблюдения космических лучей. Дело в том, что космические частицы неизбежно теряют часть своей энергии в результате взаимодействия с фотонами реликтового излучения. И поэтому энергия частиц автоматически «обрезается» на некотором определенном уровне и никогда не может его превзойти.

Все же «макроскопические явления» в микромире представляются маловероятными. Дело в том, что для энергии виртуальных частиц, видимо, тоже существуют какие-то ограничения. Об этом говорит тот факт, что хотя в теории некоторые энергетические величины и получаются бесконечно большими — в реальной природе они всегда оказываются конечными.

Но, возможно, существует другая грань соприкосновения микро- и макромира. Недавно известный советский физик М. А. Марков обратил внимание на одно неожиданное следствие, вытекающее из того, что согласно теории относительности полная энергия замкнутой Вселенной должна равняться нулю. Представим себе, например, Вселенную Фридмана, которая чуть-чуть незамкнута в том смысле, что равновесие энергий в ней несколько нарушено и имеется некоторый положительный избыток, соответствующий, скажем, массе нейтрона. Тогда, с точки зрения внешнего наблюдателя, такая Вселенная не будет отличаться от элементарной частицы.

Хотя подобные рассуждения носят несколько отвлеченный характер и связаны с некоторыми довольно смелыми допущениями, тем не менее они служат возможным указанием на то, что пропасть между микро- и макромиром, возможно, не так уж широка и глубока.

Во всяком случае изучение микроявлений уже сегодня приводит нас к проблемам космического порядка, а решение космологических вопросов все чаще наталкивается на основные проблемы физики элементарных частиц.

Но возможно, между «мега» и «микро» существуют связи еще более глубокие. Имеется в виду так называемый принцип Маха, это название дал ему Эйнштейн. Речь идет о связи бесконечно малого и бесконечно большого, которая в современной физике приобретает довольно реальные очертания.

Влияет ли «интегральный вселенский фон» на отдельные и, казалось бы, обособленные явления? Вот в чем вопрос.

Как известно, одним из основных положений материалистической диалектики является идея всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости явлений природы.

— Можно ли в связи с этим считать, — спросил я при случае академика Наана, — что любое физическое явление имеет не только местный, локальный характер, но зависит и от некоего, так сказать, космического фона? Что думают на этот счет физики и астрономы?

— Это захватывающий вопрос, — не задумываясь, отвечал Наан. — С одной стороны, современная физика сугубо локальна. Все явления описываются с помощью дифференциальных уравнений, которые зависят лишь от условий либо в данной точке, либо в соседних, близких к ней точках. Интегральный фон, таким образом, во внимание не принимается, автоматически считается несущественным… Но, с другой стороны, для того чтобы получить решение дифференциальных уравнений, необходимо задать так называемые краевые условия — начальные или граничные, или и те, и другие. И далеко не ясно, являются ли эти условия но своей природе тоже чисто дифференциальными. Есть основания предполагать, что через них в наше решение обязательно «проникает» и глобальный фон.

— А космология? Как она решает эту проблему?

— В космологии это как раз проявляется довольно отчетливо. Космологические уравнения — тоже дифференциальные уравнения. И из них нельзя извлечь почти никакой информации до тех пор, пока не сделаны те или иные предположения глобального характера, например, предположение об однородности и изотропии. Можно думать, что так должно быть и во всей физике, но пока что до этого просто еще не докопались. Природа тщательно скрывает свои тайны.

Несколько определеннее и тоже в положительном смысле ответил на этот же вопрос профессор Станюкович:

— Я думаю, что во всякое явление входит интегральный фон, связанный с наличием гравитационного поля.

Изучение микромира открывает и совершенно новые грани в проблеме пространства и времени.

С общефизической и философской точек зрения пространство и время — всеобщие формы существования материи. Однако в конкретных физических процессах пространство и время проявляются в структурных свойствах явлений и в смене состояний. В этих случаях о пространственных и временных отношениях можно говорить только тогда, когда имеет смысл различие двух соседних точек или объектов и двух последовательных состояний.

Но в том-то все и дело, что «соседство» и «следование» — это совершенно конкретные свойства физических структур, которыми они могут обладать, а могут и не обладать. Такое трудно представить себе наглядно, но в принципе это вполне возможно. Следовательно, возможны «внепространственные» и «вневременные» формы существования материи. Разумеется, если пространство и время понимать не в философском, а только в физическом смысле.

Но как все же соотнести эту возможность с общефилософскими представлениями? Вопрос, на который должны дать ответ совместные усилия физиков и философов.

Одним словом, «или — или» преодолено, и в познании геометрических свойств мира открываются новые пути, но на этих далеко не простых путях и космологии, и Микрофизике и философии еще предстоит завоевывать каждый очередной шаг.

Заглянем в будущее

Будущее науки. Ее завтрашний и послезавтрашний день. Грядущие открытия. И, в частности, завтрашний день космологии, новые открытия в области изучения геометрии Вселенной. Какими они будут?

— Боюсь, что реально предвидеть дальние пути развития естественных наук крайне трудно, почти невозможно, — говорит академик Наан. — Что мы можем сказать, например, о науке двухтысячного года, если наши сегодняшние знания составят в ней только десять процентов? Подлинное будущее, то специфическое, что отличает науку будущего от настоящего, не дает себя предвидеть. Решающую роль в формировании будущего сыграют не те проблемы, которые мы умеем решать, и даже не те, которые уже поставлены, но решены будут лишь в будущем. Решающую роль все же сыграют проблемы, которые нам сейчас и не снятся.

Да, предсказывать будущие научные открытия, видимо, и в самом деле, увы, невозможно. Но намечать наиболее перспективные пути к этим «неизвестным» открытиям вполне в силах ученых.

Первые июньские дни 1970 года. Теплый летний дождик омывает Крещатик. Не рискуя вступать с ним в спор, участники очередного Всесоюзного симпозиума по философским проблемам космологии и теории тяготения, происходящего в Киеве, после окончания очередного заседания столпились у выхода.

Пользуясь случаем, обмениваются впечатлениями. В центре самой большой группы А. Л. Зельманов. Его выступление было хотя и самым кратким, но, пожалуй, и самым впечатляющим. Впрочем, то, что мы услышали сегодня, явилось естественным развитием его взглядов, уже не раз опубликованных.

Среди довольно большого числа различных физических теорий может быть выделено сравнительно небольшое число «основных», то есть таких теорий, предметом которых являются основные законы физики и основные сведения о характере движения. В настоящее время таких «основных» теорий насчитывается шесть: ньютоновская теория тяготения, классическая механика, квантовая механика, специальная теория относительности, общая теория относительности и релятивистская квантовая теория.

В уравнения всех этих теорий, за исключением ньютоновской механики, входят так называемые фундаментальные постоянные. Их три — постоянная тяготения, величина, обратная скорости света, и так называемая постоянная Планка.

Когда создается физическая теория более общая, чем предыдущие, она «вбирает» в себя и соответствующие постоянные. Так, например, в уравнения ньютоновской теории тяготения входит только одна фундаментальная постоянная — постоянная тяготения, а в уравнения специальной теории относительности — величина обратная скорости света. В уравнения же общей теории относительности, которая представляет собой обобщение этих двух теорий, входят обе указанные постоянные.

Точно так же релятивистская квантовая теория, представляющая собой обобщение специальной теории относительности и квантовой механики, вобрала в себя две фундаментальные постоянные — величину, обратную скорости света, и постоянную Планка.

Поэтому есть основания предполагать, считает Зельманов, что будущая физическая теория, которую можно условно назвать общей физической теорией, вберет в себя все три фундаментальные постоянные. Другими словами, в ее уравнения, видимо, должны будут входить и гравитационная постоянная, и величина, обратная скорости света, и постоянная Планка.

Как-то я поинтересовался, есть ли, помимо этих соображений, еще какие-либо другие?

Видите ли, — сказал тогда Зельманов. — И общая теория относительности, и релятивистская квантовая теория, взятые по отдельности, явно не полны. Первая не ох вкатывает квантовых явлений, вторая — гравитационных. Между тем в природе и квантовые явления, и гравитация реально существуют. А следовательно, общая теория должна охватить и те, и другие.

— Но ведь не исключено, что единая физическая теория, объединяющая релятивистскую квантовую теорию и общую теорию относительности, вообще не может быть построена.

Мой вопрос, должно быть, не показался Зельманову чем-то неправомерным.

— В принципе такой случай может произойти, — согласился он. — Но тогда место общей физической теории должны занять какие-то принципы, из которых будет следовать, что синтез общей теории относительности и релятивистской квантовой теории невозможен.

Потом мне не раз приходилось слышать, как подобные же мысли высказывали и другие ученые.

— Для того чтобы выяснить вопрос о Вселенной в целом, — говорил, например, известный советский физик Д. А. Франк-Каменецкий, — необходим синтез классической теории поля, венцом которой является теория тяготения, и квантовой теории поля, которая позволяет изучать и понимать свойства частиц при очень больших энергиях. Необходимая теория, которая могла бы одновременно описывать и свойства частиц при очень больших энергиях, когда эти частицы взаимно переходят друг в друга, и одновременно явления тяготения, когда эти частицы образуют тела столь большой массы, что силы тяготения приобретают решающую роль.

А сегодня с трибуны симпозиума Зельманов попытался заглянуть в завтра будущей теории.

Дело в том, говорил он, что все основные физические теории пользуются представлением о так называемом метрическом пространстве, то есть пользуются понятиями «длины» и «длительности».

Но для того чтобы применять эти понятия, необходимо знать их эталоны. В современной физике прототипами таких достаточно точных и строгих эталонов могут служить соответственно кристаллы вещества и атомные колебания.

Однако уже при современном уровне знаний можно представить себе вполне реальные физические условия, при которых материальные объекты, способные служить эталонами длины и длительности, в принципе не могут существовать, то есть не могут существовать ни атомы, ни кристаллы. С еще более тяжелыми ограничениями мы встретимся в тех случаях, когда не могут существовать даже элементарные частицы.

Есть все основания думать, что наша область Вселенной, видимо, прошла через подобные стадии. Но это означает, что физическая теория применительно к подобным условиям не может пользоваться понятиями «длины» и «длительности». Разумеется, возможно, что в таких условиях есть другие эталоны «длины» и «длительности». Но это будет уже другая «длина» и другая «длительность».

Поэтому можно предполагать, что в будущей общей физической теорий понятия «длины» и «длительности» вообще перестанут быть основными. Не исключено, что от них и вовсе придется отказаться.

А вечером мы сидим в уютном номере старинной киевской гостиницы, и я пытаюсь «выудить» у Зельманова «дополнительные соображения». Впрочем, он, как всегда, охотно обсуждает подобные вопросы.

— Вы сказали, — начинаю я, — что в будущей теории, возможно, придется отказаться от понятий «длины» и «длительности». Вероятно, существует такая закономерность: при переходе от одной физической теории к другой, более общей, всегда приходилось от чего-то отказываться?

— Да, — согласился Зельманов. — Но, заметьте, отказ этот всякий раз был минимальным.

— Ну и что же произойдет после того, как в будущей теории «длина» и «длительность» перестанут быть основными понятиями?

— Видите ли, выбор определенных эталонов «длины» и «длительности» единственным образом фиксирует наше понимание метрических величин (промежутков времени, расстояний, углов), а следовательно, и метрических свойств пространства. Именно так обстоит дело в ньютоновской теории. А если преимущественных эталонов нет, можно вводить различные метрики. Но каждой метрике соответствует своя формулировка физических законов.

— Своеобразный принцип относительности? А как вообще будет обстоять дело с относительностью?

— Кстати… Не помню, говорил ли я вам о том, — поинтересовался Зельманов, — что относительность конечности и бесконечности пространства имеет особый смысл?

Я отрицательно покачал головой.

— Так вот, дело в том, что если в некоторой системе отсчета объем пространства конечен, то это относится только к данному моменту времени. В действительности же он стремится к бесконечности. Между прочим, это обстоятельство показывает неправомерность или, точнее, относительность противопоставления актуальной и потенциальной бесконечности в их применении к материальному миру. Что же касается будущей теории… Действительно, на уровне общей теории относительности пространственная и временная конечность и бесконечность относительны. Но конечность или бесконечность пространства-времени абсолютна — именно потому, что есть единственные эталоны длины и длительности. Но если равноправных метрик много, то возникает и относительность пространственно-временных характеристик мира.

— А вот что интересно. Как вы думаете, есть ли что-либо общее в том переходе, который произошел от классической физики к общей теории относительности, и в предстоящем переходе от общей теории относительности к общей физической теории?

— То был переход от физики, в которой принцип относительности играл подчиненную роль или не играл вовсе никакой роли, к физике, для которой принцип относительности явился основным. А теперь, возможно, произойдет переход к физике, для которой существует соотносительность физики и геометрии.

— Что это значит — соотносительность физики и геометрии?

— Соотносительность в том смысле, что только совокупность того и другого может описать закономерности материального мира.

— Ну, а если попытаться заглянуть в еще более отдаленное будущее физической теории? От чего еще придется отказываться?

— По всей вероятности, от фиксированного числа измерений пространства-времени. Как вы знаете, классическая физика оперировала с трехмерным пространством. В общей теории относительности рассматривается пространство уже четырех измерений — пространство-время, в котором три координаты — обычные пространственные координаты, четвертая — время. Не исключена возможность, что в будущей физической теории появятся пространства и с большим числом измерений, а статут координат дополнительных измерений получат какие-то другие физические величины. Очень может быть, что ими могут стать такие характеристики, как масса и энергия, импульс, а может быть, электрический заряд, барионное число и так далее.

На улице снова забарабанил дождь, Зельманов встал и, подойдя к окну, надолго задержался возле него, всматриваясь в размытое водяными струйками мерцание вечерних огней. Возможно, эта несколько призрачная картина порождала в его сознании какие-то новые ассоциации, возбуждала полет воображения.

Полет воображения!.. Об его огромной роли в разработке оригинальных научных теорий высказывались многие крупнейшие ученые, создатели новых теорий и представлений.

— В основе всех истинных достижений науки лежит творческое воображение, — говорил французский физик Луи де Бройль, один из создателей квантовой механики. — И именно поэтому человеческий ум способен в конечном итоге взять верх над всеми машинами, которые вычисляют лучше, чем он, но не могут ни воображать, ни предчувствовать.

И те выводы, к которым пришел Зельманов, тоже результат полета воображения ученого, оттолкнувшегося от современного состояния науки и поднявшегося на такую высоту, с которой можно заглянуть в ее завтрашний день.

А пока Зельманов стоял у окна, я вспоминал недавний разговор примерно на ту же тему с академиком Нааном. О наиболее перспективных с его точки зрения идеях в современной физике и астрофизике.

— О перспективности тех или иных идей можно судить лишь с крайней осторожностью, — заметил тогда Густав Иоганнович— В сущности, можно говорить только о том, какие идеи импонируют. А здесь все зависит от интуиции. Лично мне больше всего импонируют идеи, связанные с предположениями о наличии в геометрических свойствах Вселенной различных «патологических» особенностей. До тех пор пока мы не решимся отказаться от попыток подгонять свойства Вселенной под простейшие идеи, нового большого прогресса в философском понимании пространства, вероятно, не будет. Сюда, в частности, относится вопрос о прерывности и непрерывности пространства как в малом, так и в большом.

— Насколько я понял, речь идет о возможности существования областей пространства или целых миров, существенно отличающихся друг от друга по своим геометрическим свойствам? — спросил я своего собеседника.

— Да. Тут могут быть самые удивительные неожиданности. В свое время я, например, высказал идею так называемой симметричной Вселенной. В такой Вселенной наряду с нашим «миром» — Метагалактикой — существует «антимир». Но не просто антимир из антивещества.

В этом антимире имеет место обращение пространства-времени: «правое» поменялось местами с «левым», другими словами — все положительные координаты стали отрицательными, а время течет вспять в сравнении с нашим временем. Теоретически возможна и еще более сложная картина совокупности различных «сопряженных миров».

Разумеется, над изучением геометрических свойств Вселенной трудятся не только Зельманов, не только Наап, но и многие другие современные исследователи — и советские, и зарубежные. И физики, и астрономы, и философы. Но именно А. Л. Зельманову удалось получить в последнее время наиболее впечатляющие новые результаты, а Г. И. Наан не может не привлекать внимания неизменной оригинальностью своих суждений, свежестью и остротой мысли.

— Пожалуй, самое интересное то, — снова заговорил Зельманов, — что нам никогда не удастся построить полную и завершенную теоретическую модель Вселенной, описывающую все детали происходящих в ней процессов.

— А, собственно говоря, почему? — возразил я. — Ведь если допустить, что Вселенная конечна в пространстве и в ней содержится конечное число частиц, почему в этом случае нельзя построить исчерпывающую модель?

— Прежде всего это абсолютно невыполнимо практически. Приведу один пример, который мне кажется знаменательным. Как вы знаете, химические свойства различных веществ мы выясняем в эксперименте. Но эти свойства зависят не только от молекул, но и от деталей их структуры, которые определяются законами квантовой механики. Так что в принципе есть возможность вычислить все химические свойства различных веществ, не прибегая к экспериментам, чисто теоретическим путем, исходя из квантовомеханических принципов.

— Почему же так и не поступают? С помощью электронно-вычислительных машин?

— Не так давно один зарубежный ученый решил испробовать эту возможность. Он выбрал очень простую молекулу и провел для нее соответствующие расчеты. Разумеется, они потребовали применения электронно-вычислительных машин. И, действительно, совпадение вычисленных химических свойств избранного вещества с его свойствами, известными из эксперимента, получилось поразительное. Тогда ученый взял другое вещество с несколько более сложной молекулой и попробовал проделать то же самое. Но тут обнаружилась совершенно потрясающая вещь. Оказалось, что из-за очень небольшого усложнения структуры молекулы объем необходимых вычислений вырос в невероятной степени, и работа оказалась практически совершенно невыполнимой. Даже с помощью всех существующих в мире электронно-вычислительных машин. А ведь речь шла о химических свойствах всего лишь одного довольно простого вещества.

— Значит, если даже будут открыты все основные физические принципы, вывести чисто теоретически все многообразие мира практически невозможно?

— Да, так обстоит дело. Кстати сказать, именно по этой причине наука никогда не откажется от эксперимента, эксперимент никогда не может быть полностью заменен никакой теорией. Уже хотя бы потому, что это невыполнимо практически. И еще: химия в принципе может быть выведена из физики, а биология — из химии и так далее… Но так как это невыполнимо, то каждая из перечисленных наук имеет право на самостоятельное существование.

В дверь стучат, и в номере появляются соседи по гостинице, тоже участники симпозиума — два молодых ленинградских философа Бранский и Кармин.

Разговор становится общим. Обсуждается все та же тема — будущая теория Вселенной. Но теперь наша беседа приобретает явно философский оттенок. Речь, в частности, заходит об эвристической роли философии.

— Эвристическая роль философии, — увлеченно говорит Кармин, — состоит не в формировании тех или иных физических принципов и решении конкретных физических задач, а в формировании фундаментальных исходных понятий новых фундаментальных теорий. Именно этим диалектический материализм отличается от натурфилософии.

— Но ведь могут же философские соображения служить критериями для выбора тех или иных направлений в физике и астрофизике? — замечаю я.

— Безусловно, да, — отзывается Бранский. — Но именно для выбора, а не для вывода. Нельзя из философских принципов логическим путем получать физические выводы. Между прочим, именно так понимал роль философии в физике Альберт Эйнштейн.

Они очень хорошо дополняют друг друга — эмоциональный Кармин и уравновешенный, рассудительный Бранский.

— Обычно при разработке новой теории имеется некоторое количество фактов, — добавляет Кармин, — на основе которых можно в принципе создать множество различных теорий. В конце концов какому из возможных вариантов отдать предпочтение — решается практикой. Но все же на первых порах ученый должен стать на какую-то точку зрения. И здесь обычно проявляется то, что называют интуицией исследователя. Если же разобраться глубже, то окажется, что в основе такой интуиции, как правило, лежат философские предпосылки.

— Практика обычно осуществляет отбор уже сформировавшихся теорий, но она не в силах помочь нам сделать выбор того или иного принципа из нескольких возможных. А без этого нельзя построить теорию, — заключает Бранский.

— Ну, а как, на ваш взгляд, — спрашиваю я, — способна ли философия заглядывать в будущее науки дальше, чем сами конкретные науки?

— Да, конечно, — убежденно говорит Бранский. — Так, например, согласно современной физической теории от распределения материи зависят метрические свойства пространства, но топология при этом одинакова. А с точки зрения философии возможно изменение также и топологических свойств. Это вытекает из последовательного проведения принципа изменчивости материи, изменчивости не только частных свойств, но и общих. Конечно, подобный прогноз не обязательно должен оказаться верным, но философия помогает его сделать.

— Физические соображения обычно накладывают более жесткие ограничения, — замечает Кармин. — С точки зрения философии картина получается более общей, а значит, появляется возможность и более далеких выводов. Кроме того, следует заметить, что философия более устойчива, чем конкретные научные теории, она медленнее меняет свой вид. Это объясняется тем, что философия является обобщением более высокого порядка. Вот почему философия способна как бы задавать схему познания.

Слушая их, я думаю о теоретиках — той особой категории исследователей природы, которые способны силой мысли и воображения строить модели явлений, известных и еще неизвестных.

У теоретиков (а космологи, как, впрочем, и философы, это и есть теоретики в самом чистом виде) — особая лаборатория. Нет в ней ни телескопов, ни радиотелескопов, ни ускорителей ядерных частиц, хотя, разумеется, и теоретики должны быть в курсе новейших наблюдений и экспериментов. Иначе не о чем будет теоретизировать. Но основной рабочий инструмент теоретика — вечная ручка и лист бумаги, а главное исследовательское оружие — размышления и… разговоры: споры, диспуты, обсуждения и просто обмен мнениями с другими исследователями при каждом удобном случае. И нередко именно в ходе таких бесед и рождаются новые оригинальные мысли, которые затем обрастают вычислениями и формулами, а иногда превращаются в новые гипотезы и теории.

И кто знает, может быть, те дискуссии и обсуждения, которые вели физики, астрофизики и философы тогда в Киеве, в зале заседаний симпозиума, и в перерывах, и в гостиничных номерах, и просто прохаживаясь по широкому солнечному Крещатику, может быть, они тоже послужат одним из толчков к разработке той теории Вселенной, которая уже стучится в двери и которую все мы ожидаем с волнением и нетерпением.

Неисчерпаемый, но познаваемый мир

Итак, вопрос о пространственно-временной бесконечности Вселенной чрезвычайно сложен и многогранен. И многое в его решении зависит от дальнейших исследований.

Но одна бесконечность не вызывает сомнений — «бесконечность вглубь и вширь» — неисчерпаемость материального мира.

С одной стороны, это бесконечность свойств и связей любого объекта — та самая неисчерпаемость, о которой говорил В. И. Ленин. А отсюда бесконечное разнообразие мира — бесконечное число взаимодействий, состояний, явлений и условий во Вселенной. Об этом говорит хотя бы современное состояние физики элементарных частиц.

В настоящее время науке известно четыре типа взаимодействий между микрообъектами. Прежде всего это так называемые сильные или ядерные взаимодействия — они удерживают протоны и нейтроны в ядрах атомов. Второй тип — электромагнитные взаимодействия, с которыми мы встречаемся внутри атомов, — они обеспечивают существование электронных оболочек. Третий тип — слабые взаимодействия, которые проявляются, в частности, при радиоактивном бета-распаде. И, наконец, гравитационные взаимодействия, отличающиеся своим универсальным характером и охватывающие все уровни материальных объектов от элементарных частиц до космических миров.

Интенсивность каждого из этих взаимодействий приблизительно в тысячу раз слабее предыдущего. И поэтому может показаться, что в тех процессах, где проявляются, скажем, сильные взаимодействия, все остальные уже не могут оказывать на ход событий сколько-нибудь существенное влияние. Точно так же при слабых взаимодействиях не могут иметь существенного значения гравитационные эффекты.

Однако в действительности дело обстоит, видимо, значительно сложнее. В последнее время теоретики нащупали неожиданные глубинные внутренние связи между различными типами взаимодействий. В частности, например, оказалось, что значение масс электрона и протона, видимо, может быть вычислено на основе гравитационных эффектов.

Впрочем, эти результаты, быть может, не столь уж неожиданны. Ведь еще А. Эйнштейн многие годы своей жизни посвятил поискам единой теории поля.

Вообще окружающий нас мир можно представить себе как рыболовную сеть, состоящую из множества мельчайших ячеек. Каждую из этих ячеек можно вырвать из сети и изучить в отдельности, саму по себе. Но подобным способом мы ничего или почти ничего не сможем узнать о сети в целом: ведь вырывая ячейку, мы разрушаем сеть. К тому же различные ячейки «мировой сети» отличаются друг от друга.

Отсюда следует чрезвычайно важный вывод, имеющий огромное принципиальное значение: изучать явления природы необходимо в их совокупности и взаимодействии. Только при этом условии мы можем составить картину мировых процессов, верно отражающую реальное положение вещей.

Но так как число отношений и взаимодействий между ячейками «мировой сети» бесконечно, то мы с неизбежностью приходим к заключению о бесконечном многообразии реального мира.

Этот вывод находит себе все больше подтверждений в новейших данных современного естествознания.

Во всяком случае развитие современной физики убедительно показывает, что чем глубже Мы проникаем в тайны строения материи, тем более многообразные и тонкие связи обнаруживаем.

Это — с одной стороны…

А с другой, бесконечный характер процесса «исчерпания» мира человеком — его познания.

Если в эпоху «классической» науки, когда кардинальные изменения привычных представлений об окружающем мире происходили в достаточной степени редко, у человека не могло не создаваться ощущения полной или почти полной завершенности существующей системы знаний и, следовательно, ограниченности познания вообще, то современное естествознание уже не питает подобных иллюзий. В «неклассической» науке, ведущей свое начало от великой революции в физике, совершившейся на рубеже XIX и XX столетий, периодический пересмотр фундаментальных принципов стал нормой, которая не только разрушает миф о завершенности науки, но и является весьма действенным фактором в развитии цивилизации.

Связанный с классической наукой идеал завершенного знания постепенно уступает место идеалу бесконечного познания. Стремление к достижению окончательного объяснения того или иного явления природы, полностью исключающего возникновение новых вопросов, сменяется ясным пониманием перспективы возникновения в процессе научного исследования бесконечного числа все новых и новых вопросов. А неизбежность появления этих вопросов, способная привести в уныние ученого классической эпохи, сегодня, наоборот, представляется нам в оптимистическом свете — она свидетельствует не только о неисчерпаемости окружающего мира, но и о безграничных возможностях познания его человеком.

Разумеется, это вовсе не означает, что современная наука ставит своей единственной и главной задачей только генерирование все новых и новых проблем, не слишком заботясь о детальном изучении каждого данного явления. Познание конкретных явлений по-прежнему составляет важнейшую функцию науки. Но в современном естествознании этот процесс неотделим от прогресса познания в целом. Каждое конкретное объяснение — это в то же время и очередной вопрос или целая серия вопросов, продвигающая вперед весь бесконечный процесс познания.

Ощущение безграничности познания, неисчерпаемых возможностей человека в изучении окружающего мира имеет и огромное психологическое значение. Безграничность познания, присущая всему человечеству, противостоит индивидуальной ограниченности человеческой жизни.

Угроза небытия испокон века была угрозой для каждого человека, и люди пытались преодолеть ее с помощью различных религиозных и философских концепций. Именно такова была сущность философии эпикурейцев: бесконечное небытие лежит за пределами конечного человеческого существования.

Когда мы существуем, восклицал Эпикур, смерть еще не присутствует, а когда смерть присутствует, тогда мы не существуем!

Но вынося бесконечность за рамки существования каждого отдельного человека, подобная философия могла разве лишь освободить его в какой-то степени от страха смерти, но в то же время, замыкая любые цели и надежды в конечные рамки индивидуального существования, лишала человека какой бы то ни было отдаленной перспективы.

Совершенно иное представление о конечности бытия и бессмертии приносит современная наука и связанная с ней безграничная преобразующая деятельность человечества, обращенная в будущее. Именно она дает каждому отдельному человеку ощущение собственного бессмертия, бессмертия индивидуальной человеческой личности.

Для осуществления своих целей человек познает закономерности природных процессов и, изменяя начальные условия, сознательно добивается того, чтобы эти процессы приводили к нужным результатам. Дело в том, что ход событий в природе однозначно определен объективными закономерностями. Выбор же начальных условий в известной степени не зависит от характера этих законов и находится во власти человека.

«То, что мы называем наукой, — писал в 1951 году А. Эйнштейн, — преследует одну-единственную цель: установление того, что существует на самом деле. Определение. того, что должно быть, представляет собой задачу, в известной степени независимую от первой, если действовать последовательно, то вторая цель вообще недостижима».

Но тот же Эйнштейн признавал, что наука обладает моральными истоками, с которыми связано не само содержание научных понятий, а их развитие. Развивающееся моральное самосознание движет науку вперед.

«Поведение индивида в феодальном обществе определялось традицией, приобретавшей религиозную основу, — пишет известный советский философ профессор Б. Г, Кузнецов. — Потом схоластика стремилась дать традициям и догмам и, в частности, моральным канонам, политическое обоснование, необходимое для теократического авторитета церкви. Возрождение освободило человека от традиционных схоластических канонов морали, но он стал жертвой светской тирании абсолютных монархий и олигархических республик. Потом на смену авторитарной регламентации поведения человека пришла стихийная сила статистических законов, игнорировавших индивидуальные интересы и судьбы. И, наконец, в нашу эпоху победы и развития гармоничных общественных форм судьба человека в большей степени освобождается от игнорирующих ее стихийных законов, и моральные принципы, динамически развивающиеся, становятся канонами поведения и силой, преобразующей науку, производство, культуру, определяющей цели науки, производства, творчества…»

В то же время проблема неисчерпаемости мира вызывает и ряд дискуссионных вопросов.

Если мир бесконечно разнообразен, то каково число фундаментальных физических законов?

Существует мнение, что бесконечное разнообразие окружающего нас мира предполагает и бесконечное число таких принципов.

Однако нередко высказывается и другая точка зрения, согласно которой бесконечное разнообразие физических явлений и условий в реальной Вселенной может быть объяснено, исходя из конечного и даже весьма небольшого числа фундаментальных физических принципов.

В конце 1971 года в Бюраканской обсерватории проходила советско-американская конференция по внеземным цивилизациям. И одной из проблем, которую особенно оживленно обсуждали участники совещания, был вопрос о том, могут ли человечество и какая-либо инопланетная цивилизация, установив между собой контакт, понять друг друга.

Здесь мы вновь сталкиваемся с тем же вопросом: о числе основных принципов, с помощью которых можно объяснить окружающий мир. Если это число конечно и сравнительно невелико, то можно ожидать, что любая цивилизация, достигшая достаточно высокого уровня развития, должна овладеть ими. И тогда системы знаний о мире таких цивилизаций должны быть в основных чертах сходными.

Но если существует бесконечное количество фундаментальных принципов, то не исключена возможность, что различные цивилизации овладевают ими в разной последовательности. И при установлении контакта земного человечества с разумными обитателями какой-либо иной планеты вполне может оказаться, что к данному моменту «мы» и «они» владеем различными «наборами» таких принципов. И хотя и те и другие отражают вполне, реальные свойства окружающего нас мира, системы знаний, построенные на их основе, могут оказаться настолько отличными друг от друга, что практически нельзя будет найти никакой возможности перехода от одной системы к другой.

Разумеется, и в случае конечного числа принципов взаимопонимание может оказаться чрезвычайно сложным делом. Ведь принципы формулируются в определенной системе понятий, а понятия вырабатываются в процессе практической деятельности цивилизации и во многом определяются конкретными условиями, в том числе конкретными особенностями разумных существ и свойствами среди их обитания. Другими словами, может случиться, что «мы» и «они» говорим об одном и том же, но на разных «физических языках». Тогда придется искать правила перевода.

Но может случиться и так — мысль о подобной возможности высказал Зельманов, — что число основных принципов зависит от характера избираемых понятий и в зависимости от этого оно может оказаться либо конечным, либо бесконечным.

Еще одна относительность бесконечности, но связанная на этот раз уже с самим процессом познания!

Вот какой узел принципиальнейших проблем завязывается при ближайшем рассмотрении вопроса о неисчерпаемости окружающего нас мира.