Научное объяснение мира

10 ноября 2004 г.

В наше время наука заняла своеобразное место в общественном мнении, когда-то принадлежавшее религии. В сущности, религия и была «первобытной наукой», то есть попыткой объяснить мир средствами первобытного человека. Чем наивнее человек, тем проще картина мира, которую он себе строит – по той простой причине, что более сложные построения ему были бы непонятны. Теперь все разумные и свободно мыслящие люди отказались от религиозного объяснения мира. Но что такое вообще объяснение? Это построение моделей наблюдаемых явлений, более простых, чем эти явления, и позволяющих представить себе их механизмы, или даже до некоторой степени ими управлять.

Особая роль науки в объяснении мира началась с Ньютона, у которого, конечно, были предшественники – прежде всего, Галилей и Кеплер. Модель некоторого явления должна быть проще этого явления, так, чтобы её можно было бы представить себе и понять, но при этом должна сохранять некоторые особенности данного явления, которые нас интересуют, отвлекаясь от всех остальных. Иначе говоря, люди всегда пытались строить, для понимания сложного мира, в котором мы живем, воображаемые миры. На первых порах человеческое воображение просто использовало для этого некоторые предметы и существа известного им мира, особенно человека и животных. Так возникли религии. Но потом люди стали строить для более скромных, практических целей модели простых фрагментов мира. Вещи имеют «форму», и первая из абстракций, вероятно, была абстракция формы. Поле земледельца имело форму прямоугольника, луна казалась круглой, а куриное яйцо имело более сложную форму, которую приходилось описывать этим особым словом. Самые простые формы стали представлять себе как «геометрические фигуры». Поскольку представление форм и их взаимного расположения было важно для выживания человека, эволюция выработала у человека способность моделировать формы, отвлекаясь от содержания, и так возникла первая теоретическая наука – геометрия.

В сочетании с простейшими наблюдениями небесных тел геометрия позволила уже в какой-то мере предсказывать движение планет, как это делал Птолемей. Но Ньютон сумел это сделать настолько лучше, что создал у своих современников ощущение всемогущества наук – очень наивное. Дело в том, что планетам приписывалось магическое значение – они связывались с языческими богами и с судьбой человека; поэтому разгадка запутанных движений планет казалась едва ли не решением всех загадок мироздания. Люди всегда торопятся приписывать себе всякие успехи. В течение более двух столетий люди полагали, что Ньютонова физика достаточна для объяснения всего мира. Между тем, Ньютон рассмотрел Солнечную систему, представляющую особые удобства для описания, так как в ней почти всё сводится к взаимодействию двух тел –  Солнца и планеты. Взаимодействия между планетами можно учесть потом как небольшие поправки – «возмущения». Но математические методы, изобретённые Ньютоном, оказались в самом деле очень сильными и помогли строить многие другие модели.

Простой пример поможет понять, как выглядят наши попытки описания вселенной. Рассмотрим вопрос о форме земной поверхности. Наивному человеку Земля кажется плоской. Эта модель (планиметрия Евклида) достаточна для составления планов города или землевладений, для строительства зданий или пирамид, и т. д. Кажется, даже высоко развитая в смысле ремёсел и мореплавания китайская цивилизация не знала о шарообразности Земли: я читал где-то, что китайские морские карты состояли из изображений отдельных «плоских» кусков, налегающих друг на друга. Впрочем, это может быть и неверно.

Так вот, представление о плоской Земле метафорически изображает физику Ньютона. Понимание кривизны Земли было уже у древних греков, причем Эратосфен и Птолемей уже знали, что Земля имеет форму шара. Эйнштейн догадался, что мы живём в «искривлённой» вселенной, и составил уравнения, позволяющие описать значительные куски её, где уже нельзя считать мир «плоским». Но в этих уравнениях, имеющих огромную объяснительную силу в физике и астрономии, нет никакого утверждения о строении вселенной. Такие утверждения (составляющие предмет «космологии») представляют надстройки над общей теорией относительности, не вытекающие из неё логически. Эйнштейн прекрасно понимал это, и хотя он предложил некоторую простейшую космологическую гипотезу (стационарной вселенной), перед лицом трудности с объяснением красного смещения он (неохотно) отказался от неё, согласившись с гипотезами Фридмана и Леметра. Впрочем, он предложил и другой выход из положения, видоизменив (единственным естественным способом) свои уравнения. Это и был его лямбда-член, действующий только на космических расстояниях. Но вернёмся к нашей простейшей вселенной – поверхности Земли.

Кривизна этой поверхности и умение работать с кривыми поверхностями – это аналог общей теории относительности. Но гипотеза, что поверхность Земли есть сфера, уже аналогична космологическим гипотезам. Ведь есть очень много кривых поверхностей! К счастью, эту поверхность мы подробно изучили, поскольку все её части для нас доступны. Но потом оказалось, что Земля – не просто сфера, а сплющенная сфера – эллипсоид вращения, вроде брюквы. Это можно было понять, представив себе жидкую вначале Землю: вращаясь, такая масс может сплющиться под действием центробежных сил. Такая теория Земли была построена, и всё казалось закономерным. Но оказалось, что Земля при своём образовании была подвержена ещё разным случайностям – влиянию Луны, или внутренней неоднородности,  и т.д. В общем, она лишь приближённо является эллипсоидом вращения. Форму Земли геодезисты теперь описывают как «геоид», что в сущности означает: «похожая на Землю».

Космологические гипотезы – это попытки описать всё бóльшие куски известного нам мира. Что такое гипотеза Большого Взрыва? Наивные люди (в том числе и некоторые учёные) принимают всерьёз всё, что можно прочесть в популярных книгах, в том числе и «начало мира». Не столь наивные исследователи пишут языком, слишком напоминающим намеренное эпатирование публики. Стивен Вайнберг хорошо знает, что «первые три минуты» вселенной – это уже огромное время её развития, так как время в самом начале её не имеет психологического смысла наших трёх минут. Трудность состоит в сингулярности, когда «возникла» вселенная. Это особая точка решения Фридмана, в которой предположения общей теории относительности не имеют смысла. Мы ничего не знаем о поведении вещества при таких чудовищных плотностях и температурах, какие формально получаются из этого решения. Общая теория относительности – макроскопическая теория, не учитывающая квантовых явлений. Попытки соединить её с квантовой механикой до сих пор безуспешны. Между тем, состояния мира, какие пытается описывать модель Фридмана вблизи сингулярности, по представлениям современной физики должны вызывать квантовые эффекты. Более того, на такие состояния очень самонадеянно распространять известные нам законы физики. Что же такое – если говорить всерьёз – модель Фридмана?

Это описание возможной эволюции известной нам части мира от предполагаемой ранней стадии до нашего времени. Под ранней стадией здесь понимается некоторый момент «времени» этой модели, обманчиво близкий на вид к «нулю» модели, но отвечающий уже условиям применимости макроскопического подхода Эйнштейна. Лучше было бы описать это начальное состояние – как это и делают в космологии – заданием «начальных условий», то есть предположительным составом вещества и излучения в выбранный момент времени. Такие предположения не следуют ни из какой теории, а просто угадываются, но их можно подобрать таким образом, чтобы предсказать «нынешнее» состояние вселенной, как её описывают астрономы. Успех такой космологии состоит в том, что удаётся получить много параметров нынешней вселенной по немногим произвольным параметрам «раннего» мира. Так как видимый нами мир, ввиду конечной скорости света, представляет всю историю вселенной, получается правдоподобное описание эволюции вселенной. Ничего больше космология не утверждает.

В частности, мы не знаем, что было в самом начале мира, когда справедливость уравнений Эйнштейна (и всех представлений современной физики) сомнительна. Был ли там какой-то «взрыв», мы не знаем, но так как в начальный момент, по этой модели, приходится допустить очень высокую температуру, плотность, давление и т.д., то дело происходит так, как будто перед этим был взрыв. Вообще, наука прибегает к наглядным описаниям с этой оговоркой: дело происходит так, как будто. И если учёные настаивают, что дело происходит именно так, это попросту значит, что их модель очень хорошо работает и пригодна для определённых целей. Но наука чужда представлению, что нечто «происходит на самом деле»: ничего, кроме моделей, у нас, людей, нет. Согласованность этих (удавшихся) моделей и есть единственный смысл, придаваемый «реальности» внешнего мира: нам трудно представить себе или говорить, что такое огромное число совпадений случайно, и мы обычно полагаем, что за этими моделями стоит некая «действительность». Но на границах нашего познания эта «действительность» становится столь сложной и странной, что приходится вспоминать, какие эксперименты имеются в виду, и каковы ограничения теории.

Физики очень привязаны к «удачным» теориям и неохотно от них отказываются. Так называемая «теория большого взрыва» согласуется с большим числом фактов истории вселенной (понимая хронологию в соответствии с этой теорией, то есть считая возраст космических объектов по скорости света и оценкам расстояний, принятым астрономами). Скорость света до сих пор удавалось сохранить постоянной, а расстояния астрономы находят с помощью ряда процедур, дающих согласующиеся результаты. Всё дело в этом согласовании, потому что наше ви́дение мира есть возможность согласовать наши экспериментальные данные.

Непонимание «самого начала» мира выражается как раз в том, что начальные данные в «ранний» момент угадываются, а не выводятся из чего-то входящего в теорию. В сущности, всё наше описание мира вещества не объясняет основных свойств его. Например, массы элементарных частиц и их заряды не объяснимы, а вводятся в теорию «руками», так, чтобы всё «сходилось». Так что физики не так уж мошенничают в своей космологии: не больше обычного. Непосредственно наблюдаемые факты повседневной жизни нам неизбежно приходится считать «реальными» (так мы устроены). Но «большой взрыв» очень далёк от наших повседневных наблюдений. Как и все явления, масштабы которых несоизмеримы с нашими телесными переживаниями.

Вероятно, ты всё это и сам понимаешь. Я написал это, чтобы подтвердить, что сам я не слишком наивен в науке и не настаиваю на словах. Согласованность нашего знания о «мире» поразительна, чтó бы ни значил этот «мир». Но физики всё-таки преувеличили свои космологические успехи. Конечно, вселенная принесёт им ещё много неожиданностей.

Я справлялся в книгах по поводу «космического времени» и посылаю тебе первое предварительное письмо об этом предмете. Яснее всего его объясняет Эйнштейн в своей книге «Сущность теории относительности», которая, увы, очень сжато написана и трудна даже для меня. То, что я сейчас напишу, представляет только первый шаг в эту область. Я довольно хорошо знаю специальную теорию относительности, которая применяется во всех областях физики. С общей теорией относительности мне не приходилось работать, и я знакомился с ней только поверхностно. Аппарат этой науки я хорошо знаю, это риманова геометрия и тензорный анализ. Но я не специалист в этой области, и совсем не занимался космологией, поскольку в этой области трудно отделить серьёзные вещи от фантастических построений.

Прежде всего, общая теория относительности (ОТО) и космологические модели – разные вещи. ОТО – это общепризнанная теория, объяснившая целый ряд явлений в Солнечной системе и в астрономии с удивительной точностью. Сущность её в том, что гравитация объясняется как кривизна пространства, то есть как отклонение его геометрии от евклидовой геометрии. Эта кривизна выражается уравнениями Эйнштейна, позволяющими по известному распределению масс вычислить кривизну пространства и силы, обычно именуемые тяготением. Физики твёрдо верят в ОТО, потому что это, как признали даже физики школы Ландау, «самая красивая» из физических теорий. Она существует с 1916 года, и  все попытки её опровергнуть или заменить более точной теорией провалились. Но, конечно, при появлении ОТО её встретили воплями негодования, так что даже в 1921 году, когда Эйнштейну пришлось всё-таки дать Нобелевскую премию, её присудили «за работы по физике, в частности, по фотоэффекту». Фотоэффект был всё-таки понятнее, хотя потом из него развилась квантовая механика. Но, конечно, ОТО не является ключом, открывающим все двери. Мир полон загадок, и я ничего не могу сказать о загадке «Пионеров». Да и сам Эйнштейн считал, что мы только начинаем понимать строение мира.

Совсем другую степень достоверности имеет космология. Дело в том, что мы не знаем распределения материи во Вселенной. Простейшая гипотеза состоит а том, что Вселенная однородна и изотропна, то есть что она в достаточно больших кусках везде устроена одинаково и не имеет привилегированных направлений. Если усреднить материю по кускам, охватывающим очень много галактик, то, как считают астрономы, в равных объёмах оказывается равная масса. Тогда эту массу заменяют чем-то вроде пыли, равномерно заполняющей Вселенную с той же средней плотностью, и пытаются применить уравнения Эйнштейна к этой пыли. Такой подход хорошо работает в теории газов и вообще в молекулярной физике. Между молекулами тоже ничего нет, но законы макроскопической физики применяют так, как будто вещество сплошное и однородное. Но всё, что мы знаем о Вселенной, получается из оптических наблюдений. А свет, по современным представлениям, приходит к нам от самых отдалённых частей мира с неизменной частотой, что означает приход тех же фотонов, без столкновений с частицами, после которых появляются уже другие фотоны, с другой частотой. Без этого предположения мы вообще ничего не знаем о космосе. Эти фотоны – лучи света – единственные разумные «прямые линии» в геометрии Вселенной. И в соответствии со специальной теорией относительности предполагается, что свет распространяется всегда с одной и той же скоростью, относительно любой системы отсчёта.

Для выяснения геометрии Вселенной Эйнштейн выбирает систему координат и способ измерения времени в космосе. Если луч света (фотон) прилетает к нам в момент времени t₀ , по некоторому направлению (скажем, от некой звезды), то единственный разумный способ сказать, когда он из этой звезды вылетел, это разделить расстояние от неё до нас на скорость света. Расстояния мы можем не знать, но оно существует. Тем самым для каждого момента времени t< t₀ можно представить себе точку на луче, где фотон был в момент t. Возьмём такие точки на всех лучах, исходящих из (точечной) Земли. Они образуют поверхность S_t. Изотропия Вселенной требует, чтобы все такие поверхности имели постоянную кривизну (свою для каждого t), то есть были сферами. Вводятся пространственные координаты, для которых эти сферы имеют обычные уравнения. Но эти координаты не определяют обычных расстояний, потому что пространство не евклидово! Это просто способ введения естественных координат вокруг нашей Земли. А затем в этих координатах – ищутся решения уравнений Эйнштейна, считая в них материю равномерно распределённой во Вселенной.

Таким образов, время каждого события определяется тем, за сколько времени до данного момента наблюдения свет может дойти до Земли. Без света мы ничего не можем узнать! После этого решение уравнений Эйнштейна даёт нам геометрию Вселенной и, тем самым, закон тяготения в ней. Но решений уравнений Эйнштейна, даже при сделанных предположениях симметрии и однородности, всё ещё слишком много. Их нашёл Фридман в работе 1922 года. Стационарное решение, которое до того предлагал сам Эйнштейн, то есть решение, в котором геометрия мира не зависела от времени (вечная Вселенная) было замкнутым, то есть конечным, но без границы – трёхмерной сферой. Но беда в том, что как раз в 1917 году американский астроном Слайфер открыл красное смещение в спектрах всех далеких галактик, какие он мог исследовать. И по оценкам расстояний до них (которые уже были) оказалось, что это смещение растёт с расстоянием.

Этого во Вселенной Эйнштейна не было. В ней расстояния не менялись со временем. Но единственный способ объяснить красное смещение спектров состоял в эффекте Доплера. И когда оказалось, что для некоторого решения Фридмана это смещение как раз пропорционально скорости удаления источника света – галактики – а по более точным наблюдениям Хаббла смещение также пропорционально расстоянию до галактик – Эйнштейн решил принять именно это решение. Но это решение обращается в бесконечность при некотором конечном значении t, то есть не может быть продолжено как угодно далеко в прошлое. Это и есть «Большой Взрыв», очень популярный, поскольку из этого решения получилось много выводов, по-видимому согласующихся с астрономическими данными. Я разберусь, что говорят о других решениях с той же симметрией, и почему их не принимают.

Сингулярность явно не нравилась Эйнштейну, и он подчёркивал, что при таких крайних условиях ОТО заведомо не работает. Спекуляции космологов, выходящие за рамки этой стандартной модели, совершенно произвольны и подозрительно многочисленны. Каждое из них претендует на объяснение чего-то, но ставит ещё больше вопросов. Вот почему физики так критически относятся к космологическим гипотезам. Космологи – это особая порода фантазёров с формулами. Отсутствие строгих выводов и обилие вариантов – как раз и отталкивали меня от космологии. Но Эйнштейн довольствовался описанным решением Фридмана. Сам он не занимался больше космологией, а искал способ объединить ОТО с электромагнитным полем, и так и не нашёл этой «единой теории поля».

Моё собственное отношение к этому «началу мира» спокойное. Переменная t в решении Фридмана при «малых» значениях не имеет никакого человечески понятного смысла, поскольку наше представление не имеет ничего общего с условиями в то время. Кстати, квазары есть только очень далеко и не подчиняются закону Хаббла. Всё ли всегда было одинаково? Если расстояние означает всё-таки давность, то почему нет квазаров поближе? И что они вообще такое? Утверждают, что они гораздо дальше расстояний, на которых ещё видны галактики. Может быть, всё-таки Вселенная имела какую-то эволюцию?

Возможности строить новые физические теории ограничены существующими принципами физики. В серьёзной науке не бывает, чтобы такие проверенные принципы просто отбрасывались: они остаются как предельные случаи. Но как можно сохранить их, если всё, что мы знаем о космосе, мы знаем через свет (1), свет есть квантовое явление (2), и не существует никакого соединения квантовой механики с ОТО, единственной теорией, умеющей что-то сказать о Вселенной (3)? Похоже, что физики поторопились строить теорию происхождения Вселенной. Им надо сначала справиться с бессвязностью своих теорий.

Страница 21 из 30 Все страницы