Типы и принципы логики

Еще в 1912 г. американский астроном В. Слайфер  заметил космический доплер-эффект: смещение спектральных линий галактик в направлении длинноволновой (красной) части спектра. Так должно быть, если галактики удаляются от нас, в результате чего световые волны между ними "растягиваются" (хотя возможны и другие интерпретации красного смещения). В 1929 г. другой американский астроном, Эдвин Хаббл, установил, что красные смещения спектров галактик растут в среднем пропорционально их удалению от нас, как будто все они разлетаются из точки нашего местонахождения. Среднее значение постоянной Хаббла H определяется величиной 75 км/(с× Мпк), но колеблется приблизительно от 50 до 100 км/(с×Мпк). Обратная величина 1/H имеет размерность времени и позволяет определить возраст Вселенной в пределах 10–20 млрд лет.

Опираясь на эти наблюдения, Дж. Гамов в 1846–1848 гг. выдвинул гипотезу “горячей Вселенной”. Согласно ей, с момента появления Вселенная расширялась, и ее расширение продолжается поныне. При этом на ранних этапах расширения вещество и излучение имели большую плотность и высокую температуру. Исходя из этой гипотезы, в 1953 г. Гамов предсказал т. н. реликтовое излучение а в 1964 г. американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон эмпирически доказали его существование. Это излучение представляет собой огромное множество фотонов с одинаковой энергией, равномерно заполняющих Вселенную, и создает неустранимые радиопомехи на волне 7,35 см независимо от ориентации антенны. Сейчас реликтовое излучение имеет весьма низкую температуру (около 2,7 К), но объяснить его можно только предположив, что когда-то Вселенная имела маленький объем и была очень “горячей”, а затем "остыла" в процессе расширения. Энергичное развитие космологии началось только после этого открытия

В 2000 г. появились даже представления, что расширение Вселенной непрестанно  ускоряется. В связи с этим говорят о наличии в ней антигравитационных сил. Их связывают с космологической постоянной Эйнштейна и пытаются объяснить как проявление энергии вакуума. Кроме того, были обнаружены микрофлуктуации температуры реликтового излучения и тонкие завихрения в нем. В результате был сделан вывод о плоской и бесконечно расширяющейся Вселенной. Эти результаты можно назвать сенсационными, однако необходим их дальнейший тщательный анализ и проверка временем.

Итак, сегодня практически общепризнанно, что Вселенная в прошлом была "горячей", имела малый объем и в процессе своей эволюции расширяется. Но остается еще вопрос о начале и путях ее расширения. Его мы рассмотрим в следующем пункте лекции. 

 
8.2. ГИПОТЕЗА БОЛЬШОГО ВЗРЫВА И  ТЕОРИЯ ИНФЛЯЦИОННОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Еще в 1927 г. бельгийский астроном Г. Леметр предложил т. н. гипотезу Большого взрыва, а Дж. Гамов в 50-х гг. принял ее как версию своей теории горячей Вселенной. Согласно этой гипотезе, расширение Вселенной началось благодаря взрыву т. н. сингулярности, при котором вещество приобрело колоссальные скорости, а сейчас это расширение продолжается по инерции. В 1970 г. Ст. Хокинг и Р. Пенроуз пришли к выводу, что неограниченное продолжение геодезических линий в пространстве в определенных условиях невозможно. Этот математический результат был истолкован в пользу существования сингулярности и Большого взрыва, и именно на 70-е гг. приходится пик популярности данной гипотезы. Однако в дальнейшем работы ряда отечественных и зарубежных специалистов показали, что полное сжатие пространства по всем трем направлениям невозможно. По одному из них оно непременно сменяется расширением, а с приближением к сингулярности должен наблюдаться т. н. отскок – общая смена сжатия расширением.

Физически гипотеза Большого взрыва также представляется во многом странной. Ни в каком ином случае наука не сталкивается с единичными сингулярностями и единичными процессами: все явления в природе носят множественный характер, что вытекает из диалектического закона единства и борьбы противоположностей. Далее: в состоянии сингулярности должно прекращаться действие всех физических законов (в т. ч., законов ОТО), в силу чего нельзя научно объяснить процесс порождения Вселенной. Непонятно также, почему скорость “разлетания” галактик пропорциональна их удалению от нас, как будто мы находимся в точке Большого взрыва. Неясно и само это возрастание скоростей: при взрыве и дальнейшем движении “осколков” по инерции так не бывает. Еще сложнее объяснить при таком подходе открытое в 2000 г. ускорение разлетания Вселенной.

Сама идея взрыва и разлетания осколков в пространстве вызывает ряд существенных проблем. Где, в каком месте происходит этот взрыв, куда разлетаются галактики?.. Ведь для них, с т. зр. ОТО, не существует никакого внешнего пространства, а до начала развития Вселенной вообще нет пространства для движения вещества. Судя по смещению спектральных линий, самые далекие из видимых галактик должны “улетать” друг от друга с относительными скоростями более 150000 км/с. Относительные скорости еще более удаленных, невидимых галактик должны бы приближаться к световой. А квазары (небольшие космические объекты, с мощным излучением в радиоволновом диапазоне) должны бы (судя по доплер-эффекту) удаляться от нас в 2,5 – 2,8 раз быстрее света, а их относительные скорости могут достигать почти 25 скоростей света! Если все эти массивные образования движутся в пространстве как “осколки” сингулярности, то их громадную кинетическую энергию ничем нельзя объяснить, а движение быстрее света вообще физически бессмысленно. Случай с квазарами пытались объяснить замедлением света в их сверхмощном поле тяготения, однако эта идея не оправдалась. Кроме того, гипотеза Большого взрыва не может объяснить само существование квазаров и крупномасштабное скручивание галактик.

Первый квазар был открыт еще в 1963 г., а как раз в 70-е гг. XX в. началась т. н. вторая революция в астрономии. Развитие радиотелескопов, рентгеновских и гамма-приборов превратило астрономию из оптической во всеволновую, а затем появились электронные детекторы, чувствительность которых почти на два порядка превышает лучшие фотопластины. Глубина и детальность исследования Вселенной неизмеримо возросли, были открыты и изучены многие тысячи новых галактик. Новая астрономия обнаружила, что в больших масштабах наша Вселенная выглядит весьма однородной. В целом она имеет как бы пористую структуру и напоминает кусок пемзы, пронизанный пустотами, а в срезе похожа на пчелиные соты. Нетрудно видеть сходство этой структуры с ячейками Бенара – одним из типичных примеров самоорганизации. Как и ячейки сот, ячейки (домены) Вселенной близки в плане к правильному шестиграннику; и как в сотах, вещество в них сосредоточено по краям, тогда как середина практически пуста. Масштаб этих доменов порядка сотен и тысяч парсек. Среди них есть т. н. черные области – быстро растущие домены, в которых еще нет галактик, и только у границ расширения возникает молекулярный водород. Все это гипотеза Большого взрыва может объяснить лишь искусственно и с натяжками, подобно тому, как геоцентрическая астрономия Птолемея объясняла видимые эволюции планет.

Но развитие космологии не остановилось на этой гипотезе. В 1980 г. А. Гут предложил  “инфляционную” (от лат. inflatio – вздутие) модель развития Вселенной на его раннем этапе. Аналогичные взгляды развивал в 1983 г. А.Д. Линде. Согласно им, расширение вещества в первый момент (около 10^–30 с) идет несравненно быстрее (в 10⁵⁰ раз), чем предсказывала прежняя теория. Граница пространства движется в этот момент даже быстрее света, но тут нет противоречия с постулатами Эйнштейна. Дело в том, что это не движение вещества в пространстве и не передача в нем причинного взаимодействия между его частями. В этот момент само пространство быстро расширяется вместе с возникающим в нем веществом. Спустя немногие годы спутниковые эксперименты показали правильность данной теории. Сегодня она получила общее признание; однако, сама по себе она еще не решает вопрос о происхождении Вселенной.

Через несколько лет уже сам  С. Хокинг, отказавшись от теории Большого взрыва, предложил новую общую  космологическую гипотезу, – т. н. теорию инфляционной Вселенной. Согласно ей, наш мир возник и продолжает расширяться не благодаря единственному взрыву уникальной сингулярности, а путем “вздувания” многочисленных “пузырей” вакуума, – т. н. пены вакуума. Эти “пузыри” представляют собой весьма кратковременные (порядка 10^–15 с), но мощные нулевые флуктуации силовых полей в вакууме, который в этот момент находится в т. н. ложном состоянии. В целом эволюция Вселенной, согласно этой теории, напоминает процесс образования гирлянд и гроздей пузырьков пара внутри объема жидкости при кипении воды в заполненном закрытом сосуде. Допускает инфляционная теория и существование первого “пузырька”, появление которого инициировало весь дальнейший процесс, как первый пузырек пара вызывает кипение перегретой жидкости по всему ее объему. Но такой космический "пузырек" не имеет ничего общего с мистической “сингулярностью”.

Ряд проблем старой космологии снимается  в этой теории признанием того, что  не галактики разлетаются в непонятно  какое пространство, а между ними создается новое пространство. Тогда понятны и ускоренное разбегание галактик, и наше положение как бы в центре Вселенной, и невероятные скорости удаления некоторых объектов. Появление нового пространства допустимо и в теории Большого взрыва; но по ее логике, при этом все тела должны пропорционально расширяться, чего в реальности не наблюдается. А инфляционная теория естественно объясняет расширение пространства возникновением новых доменов пространства из “пузырей вакуума”. Понятно, что эти домены не могут возникать со строго одинаковой интенсивностью во всех направлениях от наблюдателя. Тем самым выясняется причина отличия скоростей “разлетания” отдельных галактик от средней скорости, определяемой по закону Хаббла, более или менее точному только для скоплений галактик. Гипотеза Большого взрыва объяснить этого не могла, приходилось делать дополнительные предположения.

Обе рассматриваемые космологические  концепции являются вариантами теории горячей Вселенной. Описание физической эволюции Вселенной в них различается только для первой неуловимо крошечной (~ 10^–30 с) стадии формирования мира. Можно сказать, что инфляционная теория относится к теории Большого взрыва так же, как релятивистская и квантовая физика относятся к классической физике, т. е. – вбирает ее в себя, при внешне микроскопических, но принципиальных поправках (в методологии такое отношение известно как принцип соответствия Н. Бора). Именно эти поправки позволяют инфляционной теории естественным образом объяснять новые данные астрономии, а также убедительней предсказывать будущее. Старая гипотеза предсказывает неминуемую гибель Вселенной либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате катастрофического сжатия (т. н. страшный треск). А с т. зр. инфляционной модели, Вселенная может многократно переживать творческие состояния “повторной неустойчивости”.

На это обращал внимание, в  частности, лидер синергетики Р. Пригожин. Он же отмечал, что без  трактовки эволюции Вселенной как  самоорганизации неравновесного вакуума нельзя объяснить, напр., преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной. И с полным основанием можно сказать, что новая космологическая концепция – это синергетическая теория происхождения Вселенной. Развитие Вселенной предстает в ней не как нечто основанное на единичном "чуде", а как нормальный процесс самоорганизации неравновесной среды по общим законам физики. Гипотеза Большого взрыва – продукт старой оптической и фотографической астрономии, типичный идейный конструкт эпохи неклассического естествознания. Теория инфляционной Вселенной – продукт современной всеволновой и электронной астрономии, одна из важных составных частей постнеклассической научной картины мира.

Как и в случае с эффектом ЭПР (который задолго до его “официального” признания применялся в расчетах под псевдонимом “обменное взаимодействие”), синергетический подход фактически давно используется в решении задач космологии. Еще в 1966 г. А.Д. Сахаров, построил космологическую модель исходя, фактически, из данной концепции. Но к идейному признанию такого подхода наука приблизилась только сегодня. Конечно, в науке еще действуют сторонники гипотезы Большого взрыва в ее традиционном облике. Принципиального решения физики ждут от исследований недавно открытого (в 1985 г.) тяжелого нейтрино, – т. н. 17–кэВ нейтрино, которое составляет около 3% всех электронных нейтрино. Если окажется, что время его жизни достаточно велико (> 10¹² с), теория Большого взрыва утратит право на существование, а если нет – конкуренция может продолжиться. Масса нейтрино активно исследуется, и недавно здесь получены новые интересные результаты, однако указанная проблема пока не решена.

Как раз благодаря своей проблемности, эта гипотеза Большого взрыва хорошо вписывается в неклассическую идеологию: ведь если что-то не объясняется естественными и объективными причинами, то тем самым расширяется место для мистики и субъективизма. Сторонники религии видят в Большом взрыве чудесный одноразовый акт сверхъестественного творения мира, напоминающий библейское писание. Субъективисты, в свою очередь, могут трактовать сингулярность и ее “взрыв” как простые условности, а сами неясности этой теории используют как “доказательство” того, что наше знание о Вселенной не может, якобы, пойти дальше удобных фикций. Все эти прекрасные возможности мифотворчества исчезают с переходом к синергетической трактовке эволюции Вселенной. Но даже сама гипотеза Большого взрыва при трезвом подходе может быть истолкована без обращения к сверхъестественному, на что указал еще в 1858 г. сам ее "родитель" Г. Леметр, – хотя он был высокопоставленным священником и президентом Ватиканской академии наук.

Тут мы сталкиваемся с любопытным явлением, опять-таки, идеологического  характера. Дело в том, что выражение "Большой взрыв" – это неудачный перевод. Слово "взрыв" по-английски звучало бы explosion или (out)burst, а в оригинале мы имеем словосочетание Big Bang. Оно буквально означает "сильный хлопок, сильный стук" (точно так же "прозваны" всемирно известные часы с громким боем на башне Вестминстерского аббатства в Лондоне). Космологи привыкли относиться к этому словосочетанию, как к условно-образному обозначению быстрого расширения Вселенной. А собственно "Большой взрыв сингулярности" никогда не имел буквальной физико-математической интерпретации. Понятие сингулярности тоже никогда не имело полноценного научного статуса. Его нет ни в одной отечественной энциклопедии, а словари русского языка отсылают к научно-популярной литературе 70-х гг., когда гипотеза Большого взрыва переживала свой звездный час.

Как видим, развитие науки не обходится  без казусов, особенно – в условиях давления на нее со стороны антинаучной  идеологии. Приведем еще один пример такого рода. Некто В.Д. Плыкин Виктор Дмитриевич, д-р т. н., в те же романтические 70-е переоткрыл для себя автоволны и ячейки Бенара. Дальнейшие размышления логично привели его к осознанию "сотовой" структуры Вселенной и к критике гипотезы Большого взрыва. Феноменально, что еще в 1996 г., пропагандируя свои "открытия", он ничего не знал о синергетике и не подозревал, что крупномасштабная структура Вселенной давно описывается в школьных учебниках астрономии. "Открытия" Плыкина потрясли его душу и привели его к вере в бога – как, якобы, распорядителя вселенской "информации".