4.3. Системы мегамира.

Под мегасистемами понимаются системы, состоящие из космических объектов. Это звезды и планетные системы, галактики (скопления звезд), метагалактики (скопления галактик) и вселенная в целом. Научные взгляды на мегамир эволюционировали вместе с развитием естественных наук. Первой научной картиной Вселенной была механистическая, основанная на механике Ньютона. Существовало пять важнейших постулатов классической механики относительно космологических представлений:

1. Вселенная существует безотносительно к условиям познания. Этот постулат означал, что независимо от наличия или отсутствия во Вселенной разумной жизни, способной наблюдать за ходом ее развития, мировые физические законы действуют одинаково.

2. Пространство и время Вселенной абсолютны и не зависят от свойств и качеств материальных объектов, расположенных в ней. Этот постулат подробно разбирался в разделе, посвященном классическому типу рациональности.

3. Пространство и время метрически бесконечны и безграничны в любом направлении. Это высказывание постулирует структуру Вселенной с точки зрения метрических характеристик.

4. Пространство Вселенной однородно и изотропно (обладает одинаковыми свойствами в любой точке).

5. Вселенная стационарна. Это положение утверждает неизменность мира: могут изменяться отдельные вещи, но мир в целом сохраняет свои характеристики.

Данные постулаты были попытками объяснить фундаментальные свойства нашего мира с точки зрения классической механики. Однако принятие некоторых из них привело к появлению парадоксов, объяснить которые Ньютоновская механика не в силах. Первый, наиболее очевидный такой парадокс носит название фотометрического парадокса. Сущность его заключена в следующем:

Если во Вселенной существует изотропность материи, то она (материя) должна быть равномерно распределена по всему пространству нашего мира. Из такого равномерного распределения логически вытекает, что количество материи во Вселенной бесконечно, т.к. бесконечно пространство. Следовательно, все области пространства, видимые невооруженным глазом, должны давать равномерное свечение, и вместо звездного неба мы должны были бы наблюдать равномерно фосфорецирующий небосвод. Фотометрический парадокс поставил под сомнение третий постулат Ньютона.

Существует еще один неразрешимый в рамках классической механики парадокс, известный как гравитационный:

Если в бесконечном пространстве существует бесконечное количество материальных объектов, обладающих массой, то эти объекты должны давать в каждой точке пространства бесконечный гравитационный потенциал. Если бы это было так, то любой материальный объект Вселенной, подвергаясь воздействию бесконечно большой силы, должен был бы иметь бесконечно большое ускорение, однако этого не происходит. На самом деле в любой точке Вселенной этот потенциал конечен.

Для преодоления этих противоречий пришлось отказаться от некоторых постулатов. Первым, разумеется, был отброшен третий постулат. В 1917 г. Эйнштейн предположил, что для существования в том виде, в котором она есть, Вселенная должна быть безграничной, но не бесконечной. Это, на первый взгляд, само по себе противоречивое высказывание, имеет глубокий физический смысл. Оно предполагает, что мир бесконечен во времени, но конечен в пространстве. Вселенная предстает в виде некоего цилиндра, замкнутого пространственно. Однако пространство и время в эйнштейновском представлении выступают взаимосвязанными, т.е. наш мир обладает свойствами пространственно-временного континуума, в котором время, наравне с длиной, шириной и высотой, является неотъемлемой характеристикой, связанной с тремя вышеназванными. Построение геометрической модели такого мира стало возможным после появления неевклидовой геометрии Римана-Лобачевского.

После принятия такой модели пришлось отказаться и от второго и четвертого постулатов. Пространство и время стали восприниматься как относительные и взаимозависимые величины. В таком случае говорить о равномерности распределения вещества и энергии во Вселенной было уже невозможно. Таким образом снимались гравитационный и фотометрический парадоксы.

Представление об изотропности пространства нашего мира сейчас также поставлено под сомнение. Если бы Вселенная действительно была изотропной, то она должна была бы быть линейной системой, в то время как в современной науке принята нелинейная модель. Пространственная структура представляется не однородной, а ячеистой. Воздействие одной и той же силы на соседние участки пространства приводит к различным результатам. Это явление получило название эффект баттерфляй (от англ. batterfly – бабочка). Взмах крыльев бабочки в одной точке не вызывает никакого действия, если эта точка пространства приходится на середину ячейки, однако такой же взмах, произведенный в узле пространства, может вызвать проявление значительных сил, вплоть до появления урагана на другом конце планеты. Эффект бабочки свидетельствует о нелинейном характере нашего мира.

В 1922 г. русский ученый А. Фридман доказал, что вселенная не может быть стационарной. Присутствие гравитационных сил, действующих между телами, обладающими массой, должно приводить к пульсации пространства. Следовательно, и пятый постулат Ньютона был отброшен. В настоящее время Вселенная расширяется, что было доказано в 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом, открывшим эффект красного смещения спектра света, исходящего от далеких галактик. Это было интерпретировано как результат движения этих галактик от центра Вселенной и получило название «разбегания галактик».

Доказательство нестационарности вселенной послужило поводом для исследования ее эволюции. Стало очевидным, что Вселенная должна иметь начало. В настоящее время существуют несколько точек зрения на происхождение нашего мира. Первая, наиболее древняя, утверждает креационистский подход: Вселенная была создана неким творцом, Богом-демиургом, который и установил все физические законы нашего мира. В наиболее явном виде эта концепция является сугубо религиозной, однако существуют научные направления, в той или иной мере склоняющиеся к идее творения. Данный подход, например, выражается так называемым антропным принципом в космологии.

Антропный принцип известен в двух формулировках – слабой и сильной. Слабый антропный принцип определяется следующим образом: «Наблюдаемое значение всех физических и космологических величин не случайно, но продиктовано требованием обеспечить существование областей, где могла бы возникнуть жизнь на углеродной основе, а также требованием, чтобы возраст Вселенной был достаточно велик для того, чтобы это событие уже произошло». В такой формулировке антропный принцип был приведен в работе Дж. Барроу и Ф. Типлера «Антропный космологический принцип» (1986).

В таком виде антропный принцип является космологическим постулатом, однако при ближайшем рассмотрении можно уловить религиозный смысл этого тезиса. Подразумевается, что появление жизни и разума во Вселенной предопределено заранее какой-то причиной, исключающей элемент случайности. Данное причинное основание осуществляет выбор из множества возможностей и случайностей с тем, чтобы определить такое их сочетание, которое позволило бы появиться во Вселенной разумной жизни, и притом непременно на углеродной основе. Такая причина, даже не являясь Богом в религиозном понимании этого слова, все же отсылает нас к некоторой силе, существовавшей еще до рождения нашего мира, и способной влиять на законы его развития. В свое время выдающийся средневековый философ и теолог Аврелий Августин на вопрос, что делал Бог до того, как сотворил мир, остроумно заметил: «Создавал ад для тех, кто задает такие вопросы». Утверждение антропного принципа в космологии в его слабой формулировке сродни ответу Августина.

В сильной версии еще более усиливаются религиозные мотивы и тенденции. Одна из возможных формулировок сильной версии звучит так: «Вселенная должна обладать такими свойствами, которые на определенном этапе ее истории позволяют жизни развиваться». Развитие этого тезиса приводит Барроу и Типлера к выводу: разумный информационный процесс неизбежно должен возникнуть во Вселенной, и, однажды возникнув, он уже не может прекратиться. Как показывает практика, человечество не однажды стояло на пороге собственного уничтожения, и сейчас эта угроза еще далеко не миновала, поэтому говорить о необходимости вечного существования человеческой разумной жизни (а именно о ней идет течь) по меньшей мере преждевременно.

В противовес религиозным, или, как их еще называют, телеологическим концепциям, в настоящее время достаточно глубоко разработана физическая модель возникновения и развития Вселенной. Наибольшим признанием сейчас пользуется так называемая теория горячей Вселенной, авторами которой являются уже упоминавшийся русский физик А. Фридман и американский астроном русского происхождения Александр Гамов.

Согласно этой теории, изначально Вселенная существовала в виде некоего образования сверхвысокой плотности и температуры. Это образование получило название сингулярность (в научно-популярной литературе его часто называют «космическим яйцом»). Следует отчетливо представлять, что сингулярность не была материальным объектом, находившимся в пространстве нашего мира, она сама была этим пространством, сжатым до чрезвычайно малых размеров. Огромные плотность и температура объясняются тем, что вся материя Вселенной была сжата в этом пространстве. По сути, в космических масштабах можно говорить, что сингулярность была точкой, т.е. пространства как такового не существовало. Исходя из современного представления о мире следует признать, что в этом случае не существовало и времени. Вся материя сингулярности находилась в двух формах – вещества и энергии. Вещество в таких условиях могло существовать только в виде самых легких элементарных частиц – электрона и позитрона, которые при взаимодействии превращались в два кванта света: e + p = 2 ν. В нормальных условиях эта реакция также происходит, однако она является необратимой – при взаимодействии положительного и отрицательного заряда выделяются два кванта света, обратное же взаимодействие невозможно. В условиях сингулярности, при отсутствии категории времени, говорить о необратимости реакции невозможно и бессмысленно. Поэтому полагают, что при взаимодействии двух квантов света друг с другом в сингулярности происходило их обратное превращение в пару разнозаряженных элементарных частиц: ν + ν = e + p. Сингулярность, таким образом, находилась в состоянии динамического равновесия. Как известно, в таких системах возможно самопроизвольное отклонение от равновесия – флуктуации. Видимо, одна из таких флуктуаций и привела к резкому смещению равновесия в сторону энергии, что вызвало мгновенное (с точки зрения возраста Вселенной) расширение пространства. Этот процесс получил название Большого Взрыва. Как полагают, расширение пространства, приобретение им его нынешних характеристик и появление времени заняло не более трех минут в нынешнем режиме течения времени.

Смещение равновесия привело к преобладанию отрицательно заряженных частиц – электронов – над позитронами. В это же время возникают более тяжелые частицы – не имеющие заряда нейтроны и положительно заряженные протоны, при взаимодействии которых образовывались ядра атомов водорода и гелия. В последующих процессах происходило образование других элементов в реакциях ядерного синтеза.

Теория горячей Вселенной подтверждается двумя экспериментально установленными фактами. Во-первых, это уже упоминавшееся разбегание галактик, определенное благодаря эффекту Доплера. Во-вторых, это так называемое реликтовое излучение, открытое в 1964 г. Любопытно, что это открытие было предсказано Гамовым за одиннадцать лет до его обнаружения. Он предположил, что при развертывании пространства должно было сохраниться излучение, состоящее из тех фотонов сингулярности, которые не провзаимодействовали между собой и оказались «выброшенными» в космос. Гамов предсказал и параметры этого излучения – его частоту и температуру. Эти предсказания были блестяще подтверждены (за одним лишь расхождением) американскими учеными Пензиасом и Вильсоном, которые, отлаживая антенну радиотелескопа, не могли избавиться от фоновых помех на длине волны 7,35 см. Самым любопытным было то, что уровень этих помех не менялся при повороте антенны, т.е. излучение было совершенно изотропным по всем направлениям. В 1965 г. было доказано, что это излучение и есть реликтовое фоновое излучение, предсказанное Гаммовым. Это открытие позволило уточнить возраст Вселенной. Гамов исходил из значения 3 млрд. лет, что привело к ошибке в оценке температуры (то самое расхождение). Реальная температура реликтового излучения соответствовала возрасту 13 млрд. лет, именно этот возраст и принят сейчас учеными.

Фридманом были даны оценки возможных вариантов развития Вселенной. Таких вариантов оказалось всего три. Первый – расширяющаяся трехмерная Вселенная; в этом случае пространство нашего мира описывается евклидовой геометрией. Второй – пульсирующая Вселенная, мир описывается неевклидовой геометрией и имеет сферическую форму и многомерность пространства. Третий – «гиперболический мир»; расширяющаяся многомерная Вселенная, описываемая неевклидовой геометрией.

Для окончательных выводов о происхождении и эволюции Вселенной наука имеет еще мало фактов, ведь объекты макромира принципиально отличаются от привычных нашему глазу. Развитие физики микромира показало, что при переходе с одного уровня организации на другой физические принципы функционирования систем могут, за исключением самых фундаментальных, значительно меняться. Принципы неопределенности и дополнительности не могут работать в макромире, их экстраполяция невозможна на объекты, подчиняющиеся привычным нам законам ньютоновской классической механики. А ведь объекты микромира меньше

15

макросистем «всего лишь» в 10 раз, в то время как мегамир превышает

26

их в 10 раз. Космические величины потребовали введения нового эталона измерения, ибо метрическая система вынуждена в этих условиях оперировать цифрами с огромным количеством нулей. Для космических расстояний единицей измерения является световой год, т.е. расстояние, проходимое световым лучом за год. Радиус Вселенной, исходя из ее возраста, составляет 13 млрд. световых лет, из которых человеку в настоящее время открыто не более одной трети. Это расстояние называют горизонтом видимости. Что находится за пределами этого горизонта, можно только гадать.

С другой стороны, свойства тех объектов, до которых человек способен «дотянуться» современными средствами познания, не отличаются от свойств нашей галактики, поэтому экстраполяция (расширение, перенесение) физических законов видимой части Вселенной на все пространство нашего мира представляется достаточно правомерной.

В то же время, свойства некоторых объектов Вселенной не похожи ни на что, известное нам по исследованию нашей галактики. Кроме уже упоминавшихся черных дыр, существуют такие образования как квазары или квазизвезды. В 1963 г. была обнаружена звезда, находящаяся на расстоянии 2 млрд. световых лет от Земли. Ее яркость свидетельствовала о том, что объект должен находится в нашей галактике, однако красное смещение опровергало это предположение. Советские астрономы А. Шаров и Ю. Ефремов нашли старые фотографии этого объекта, из которых следовало, что он значительно изменил свой блеск за короткое время. Поскольку допустить слаженное изменение яркости современная астрофизика не позволяет, был сделан вывод о том, что излучает не сама звезда, входящая в состав иной галактики, а какой-то другой объект, чья мощность излучения соответствовала мощности галактического ядра. Именно эти объекты и были названы квазарами.

В целом, говоря о современном состоянии космологической теории, можно, не смотря на ее значительные успехи, привести слова выдающегося советского ученого И.С. Шкловского: «Все же многое, может быть, самое важное, остается загадочным и непонятным».

ЛИТЕРАТУРА ПО ТЕМЕ:

Власов В.В. Биоэтика. Саратов, 1998.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск, 1997.

Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

Лавриненко В.И., Ратников В.П. Концепции современного естествознания. М.,1997.

Льоцци М. История физики. М., 1972.

Невважай И.Д. и др. Концепции современного естествознания. Саратов, 2000.

Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М.,1988.

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

Рьюз М. Наука и религия: по-прежнему война? // Вопросы философии, 1991, №2

Современная философия науки. М., 1996.

Философия и методология науки. М.,1996.

Шкловский И.С. Звезды, их рождение и смерть. М., 1977