[лава 2. Филоеопм научной картины мира
рабочей гипотезы: «материя есть возмущенное состояние динамической геометрии».
Основная категория относительности — это метрика, т. е. число, которое сопоставляется с двумя точками (событиями). Суть общей теории относительности и всей геометрической картины мира состоит в обобщении теории Евклида по двум направлениям — во-первых, по увеличению размерности, а во-вторых, по переходу к искривленным пространствам.
В 1916 г. на базе уравнений ОТО К. Шварцильд рассчитал метрику пространства —времени вокруг сферически симметричного материального объекта.
Этот расчет послужил основой последующего развития теории черных дыр — одного из наиболее интересных объектов современной космологии. Из-под гравитационного радиуса этих удивительных объектов не может выйти ничто — ни у света, ни у каких-либо
других тел не хватит энергии, чтобы преодолеть силу притяжения черной дыры.
В 1921 г. Т. Калуца обобщил уравнения ОТО на случай пятимерной метрики.
Пятая координата оказалась замкнутой на планков-ском масштабе 10
43 см. Главным достижением теории Калуцы оказалась геометризация электромагнитного поля: его пятимерные уравнения содержали уравнения Максвелла.
В связи с увеличением размерности ОТО возникает вопрос, почему реальное пространство нашего мира подчиняется трехмерной геометрии Евклида. В 1919 г. эту проблему исследовал П. Эренфест. Все классические физические поля — гравитационное, кулоновское электрическое, магнитное, производимое магнитным зарядом, — убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. В мирах более высокой размерности эти зависимости оказались бы совершенно иными и, как следствие, и атомы и планеты потеряли бы устойчивость.
Философский подход к проблемам топологии пространства развивался М.А. Марковым. Исходный тезис его рассуждений — в сопоставлении двух линий античной философии на проблему делимости материи — линии Демокрита, который был сторонником идеи неделимых атомов, и линии Эмпедокла, по мнению ко-
РазделVII.Современна»научна»картинамираторого число первоэлементов бесконечно велико. Марков предложил третью концепцию, альтернативную по его мнению двум классическим.
Концепция Маркова основана на двух принципиально новых идеях. Первая из них состоит в том, что структурные части материи могут строиться из элементов не меньшей, а большей массы: избыточная масса в соответствии с законом сохранения массы —энергии трансформируется в жесткое излучение. Заметим, что эту же идею использовал А.Е. Акимов в фитонной теории квантового вакуума.
Вторая идея — это так называемая «ядерная демократия»: способность элементарных частиц превращаться друг в друга, спонтанно исчезать и вновь возникать из вакуума. Классическая атомная теория не знала ничего подобного.
Используя эти идеи, Марков предложил представить элементарные частицы в виде почти замкнутых автономных вселенных, которые он назвал фридмона-ми. Из-за большого гравитационного дефекта масс полная масса замкнутой вселенной равна нулю. А если она замкнута не полностью, то ее масса может быть сколь угодно малой, например, равной массе элементарной частицы. С точки зрения внешнего наблюдателя эта малая масса будет заключена внутри сферы таких же микроскопических размеров, как и элементарная частица.
«Фридмон с его удивительными свойствами, — пишет академик Марков, — не является порождением поэтической фантазии — без всяких дополнительных гипотез система уравнений Эйнштейна —Максвелла содержит фридмонные решения... Вселенная в целом может оказаться микроскопической частицей. Микроскопическая частица может содержать в себе целую Вселенную».
Глава 3
ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА| Универсальная теория
ВселеннойПо мнению С. Хокинга, в настоящее время на вопрос о том, может ли существовать единая теория всего реально существующего, следует дать три альтернативных ответа:
Полная теория существует и когда-нибудь будет построена.
Окончательной теории Вселенной нет, а есть бесконечный набор все более совершенных теорий.
Такой теории не существует, имеется граница, за которой нельзя предсказать что-либо определенное. За этими рассуждениями Хокинга скрывается
неявный постулат, который состоит в том, что сам объект теоретизирования — Вселенная — в своих наиболее фундаментальных свойствах остается неизменным. Между тем, если вспомнить основные принципы нелинейной науки и рассматривать Вселенную как большую самоорганизующуюся систему, то можно прийти к выводу, что у нас нет достаточных оснований считать этот постулат истиной в последней инстанции.
Несмотря на эти сомнения, многие теоретики убеждены, что такая теория будет в конце концов создана. «Физика представляет собой единое целое, — пишет по этому поводу Р. Пенроуз, — и правильная квантовая теория гравитации, когда она, наконец, будет построена, должна стать основой нашего досконального понимания законов природы».
Полностью солидарен с ним и С. Хокинг, который утверждает, что «если мы действительно откроем полную теорию..., тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятным замысел Бога».
Теоретики продолжали упорно работать над этой проблемой. А. Салам и С. Вайнберг создали единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий. На очереди теория Великого объединения, которая будет описывать также и сильные взаимодействия, а о теории суперструн думают как о прообразе еще более общей теории — супергравитации. На этом пути, помимо больших теоретических трудностей, физиков идет еще одна тяжелая проблема — экспериментальная невесомость: предсказания теорий становится все труднее проверить на опыте.
Скорее всего, однако, до триумфа, о котором мечтают теоретики, еще далеко. К
тому же есть много фундаментальных вопросов, на которые эта теория, даже если она будет создана, не может дать убедительных ответов.
Вселенная состоит из вещества — главным образом из протонов, электронов и нейтронов, — и антивещества, т. е. антипротонов и позитронов, имеющих противоположные электрические заряды. Ни теория относительности, ни квантовая механика не дают ответа, почему при происхождении Вселенной из вакуума возникла такая асимметрия.
Внести ясность в этот парадокс можно с помощью модели «фитонного моря». Согласно существующим космологическим моделям, когда закончилась самая ранняя инфляционная стадия расширения Вселенной, ее температура была очень высока— 1016 эВ. При
9 ПроОлема антивещества такой температуре в плазме должны были начаться процессы генерации частиц и античастиц, причем практически в равных количествах. Однако вследствие эффекта аннигиляции они должны были сразу же превращаться в фитонные ансамбли, что сопровождалось испусканием жесткого излучения.
Анализируя протекание этих процессов, А.Д. Сахаров предположил, что скорости рождения частиц и античастиц должны немного различаться, а процессы разбаланса их концентрации должны протекать быстрее, чем их взаимная аннигиляция.
Достаточно, таким образом, предположить, что в силу неких нелинейных эффектов процесс генерации материи шел с небольшим переносом в пользу вещества, и тогда в итоге часть вещества осталась «невостребованной» и составила материальную основу всех ныне существующих объектов во Вселенной, а другая, причем подавляющая часть, вместе со всем антивеществом оказалась «связанной» в форме фитонов.
Что касается жестких гамма-квантов, испущенных при формировании фитонного «моря», то они сохранились к настоящему времени в форме реликтового излучения с температурой 3 °К, открытого А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Количество этих реликтовых фотонов в миллиард раз превосходит суммарную численность протонов, из которых состоят все материальные объекты во Вселенной. Этот факт — прямое подтверждение того, что в момент своего рождения концентрации частиц и античастиц различались весьма мало, разница между ними составляла порядка Ю
-9 в пользу вещества. Именно из этих «избыточных» протонов и электронов и развились позднее галактики, звезды и планеты, включая те, на которых затем зародилась жизнь.
■ Будущее Вселенной
Стандартная фридмановская модель предсказывает два варианта конца современной Вселенной — либо «тепловая смерть» в результате непрерывного расширения, либо последующее сжатие (Big Crush — Большой
Хлопок). Согласно теории, первому сценарию соответствует средняя плотность материи меньше, чем 10
_29
r/
CM3
i второму— больше этой величины. По данным астрофизики, современные оценки плотности как раз дают 10
29г/см
3, поэтому выбор между обоими эволюционными сценариями, оба из которых «хуже», остается как будто неопределенным.
Однако наблюдения над аномалиями в движении звезд и галактик привели астрономов к выводу, что, кроме видимого вещества, во Вселенной должна существовать недоступная прямым наблюдениям темная материя, содержание которой намного превосходит количество вещества. Вопрос о природе этой материи неясен. Возможно, это холодный межзвездный газ, белые карлики, нейтрино или другие странные частицы.
Отличный от стандартных прогнозов взгляд на будущее Вселенной можно получить, используя идеи нелинейной науки. Факт рождения Вселенной из вакуума означает, что ее нельзя рассматривать как замкнутую систему и, следовательно, ее эволюция подчиняется закономерностям теории самоорганизующихся систем. И следовательно теория Всего, о которой мечтают физики, должна включать динамическую неустойчивость. А это означает, по мнению И.Р. Пригожина, что по мере того, как Вселенная эволюционирует, обстоятельства создают новые закономерности.
Одно из таких нестандартных обстоятельств — возможность рождения дочерних вселенных. Исходный
постулат этой гипотезы состоит в том, что существует пространственно-временная пена — квантовые флуктации на уровне планковских масштабов. Существование этой пены можно проверить экспериментально, наблюдая реакцию на нее мощных гамма-квантов с энергией порядка 10
16ГэВ, излучаемых ядрами галактик или квазарами. Если зоны такой пены существуют, то становится возможным спонтанное рождение обособленных пространственно-временных областей, гравитационно отделенных от Вселенной-матери. Наблюдать их можно по мощным вспышкам излучения, идущего «ниоткуда».
Возможен индукционный механизм возникновения таких областей вследствие столкновения двух частиц сверхвысокой энергии (файербол).
д Днтропный принцип Антропный принцип — это одна из наиболее острых и спорных проблем современного миропредставления. Область его применения — роль и место разумной жизни во Вселенной, а более конкретно — человека.
Существуют три исторические парадигмы, дающие ответ на этот вопрос:
Вселенная антропоморфна, она — целостный организм, а человеком управляют высшие космические силы (Аристотель, Птолемей).
Вселенная — механизм, созданный Богом, который сотворил человека по своему образу и подобию (Декарт, Ньютон).
Стандартная космологическая модель, в рамках которой возникновение разумной жизни — проявление законов случая.
Анализ этих проблем привел к «антикоперникан-скому» перевороту в космической философии. Оказалось, что во Вселенной существует очень точная подгонка фундаментальных физических констант, и даже малые отклонения от стандартных значений привели бы к такому изменению свойств Вселенной, что возникновение в ней человека стало бы невозможно. Эту проблему исследовал Г.М. Идельс, A.M. Зельманов, Б. Картер, Ф. Хойа, Н.Л. Розенталь, Дж. Уилер, Ф. Тип-лер, С. Хокинг и другие ученые. Эта удивительная приспособленность Вселенной к существованию в ней человека получила название
антропногопринципа(АП).
В наиболее парадоксальной форме так называемого сильного АП эту идею сформулировал в 1973 г. Б. Картер, использовавший парафраз известного афоризма Декарта: «Cogito, ergo mundus talis est» («Я мыслю, следовательно, Вселенная такова, какова она есть»). Есть и другие, не менее парадоксальные формулировки АП. С. Хокинг: «Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем, по той причине, что существует человек». Ф. Хойа: «Здравая интерпретация фактов дает возможность предположить, что в физике, а также в химии и биологии экспериментировал "сверхинтел\ект" и что в природе нет слепых сил, заслуживающих внимания». Дж. Уилер: «В некотором странном смысле это является участием Бога в Создании Вселенной».
Ф. Типлер предложил финалистскую версию АП, в основе которой лежит постулат вечности жизни, точнее реализации программы производства информации. Физическая природа носителей информации при этом несущественна, это вовсе не обязательно человек. Цель этого процесса состоит в управлении крупномасштабной структурой Вселенной, а его финал — точка Омега, бесспорный Разум, потенциально владеющий бесконечно большим объемом информации.
На основании своей концепции Типлер утверждает, что Вселенная должна быть закрытой. Она потенциально содержит точку Омега как финал, в котором сливаются все мировые линии событий.
Этот всеохватывающий эволюционизм Типлера — не что иное, как тотальная колонизация Космоса антропоморфным «развертывающимся богом». Сточки зрения синергетики это несомненно модель эволюционного тупика.
Значительно более рационалистическая интерпретация АП принадлежит Н.Л. Розенталю, который представил его как принцип целесообразности. Наши основные физические законы, считает он, подчиняются гармонии, которая обеспечивает существование основных состояний. На конкретных примерах варьирования величиной фундаментальных констант Розенталю удается показать конструктивную роль АП.
Близкую точку зрения разделяют СП. Курдюмов и Б.Н. Князева. Сложное, отмечают они, связано с иерархическим принципом строения и с необходимостью должно рассматриваться в эволюционном аспекте. На этом основании они формулируют эволюционный постулат АП: сложный спектр структур-аттракторов существует лишь для узкого, уникального класса сценариев с нелинейными зависимостями. Недостаток синергетической интерпретации АП состоит в том, что авторы не смогли указать решения задачи морфогенеза, т. е. усложнения, перехода от простых структур к сложным.
рУниверсальная история И. Пригожину, Э. Янгу и Н.Н. Моисееву принадлежит идея универсального эволюционизма. Структура современной общепризнанной картины мира носит как бы мозаичный характер: она состоит из автономных блоков — физика, космология, биология, геохимия и др., — которые, хотя и связаны между собой, но не выдержаны в духе единой универсальной эволюционной парадигмы.
Смысл принципа универсального эволюционизма состоит в том, чтобы представить все эволюционные процессы, происходящие в мире, начиная с возникновения Вселенной, образования вещества, звезд и галактик и до социокультурной динамики как целостный процесс самоорганизации всего сущего, подчиняющийся общим фундаментальным закономерностям и развивающийся в целостном многомерном онтологическом пространстве.
Концепция универсального эволюционизма пока далека от завершения и существует скорее в виде исследовательской программы. Это, однако, не уменьшает ее онтологического, гносеологического и этического значения. Третий из числа этих аспектов при обсуждении проблемы может вызвать недоумение, однако именно он занимает центральное место во всей концепции.
Дело в том, что из концепции универсального эволюционизма в качестве следствия можно получить принцип коэволюции человеческого социума и среды обитания, включая космическое пространство. Этот принцип — прямой результат применения методов нелинейного мышления. Для поддержания устойчивого, неразрушающегося режима социальной эволюции этот принцип играет фундаментальную роль. Он является прямой антитезой классического принципа механистического миропредставления — «природа не храм, а мастерская, и человек в ней — хозяин»,— следование которому и привело к экологическому кризису.
jСловарь ключевых терминов Бифуркация — нарушение устойчивости эволюционного режима системы, приводящее к возникновению после точки бифуркации квантового спектра альтернативных виртуальных сценариев эволюции. Бифуркации возникают в условиях нелинейности и открытости как следствие изменения свойств, а не имманентных свойств самой системы. Вследствие потери системной устойчивости в зоне бифуркации фундаментальную роль приобретают случайные факторы. Это обстоятельство имеет важное значение в процессах социокультурной динамики и приводит к новому, нелинейному пониманию соотношения необходимости и свободы воли. В рамках нелинейного мышления свободу следует донимать не как осознанную необходимость, а как возможность выбора среди виртуальных альтернатив, но одновременно и нравственную ответственность за этот выбор.
Большой взрыв — сингулянтность пространства-времени, приведшая к возникновению 13,7 миллиардов лет назад и последующей эволюции нашей Вселенной. Согласно стандартной космологической модели, Вселенная возникла как результат этой сингулярности. Теоретическим обоснованием этой теории явилось решение нестационарных уравнений относительности, полученное в 1922 г. А.А. Фридманом. В пользу этой теории свидетельствует два экспериментальных факта. Во-первых, это открытие разбегания далеких галактик, сделанное в 1929 г. на основании регистрации красного смещения в спектрах их излучений. Во-вторых, это открытие реликтового фонового излучения с температурой 3,5 °К, равномерно заполняющего космос. Это открытие было сделано в 1964 г. А. Пен-зисом и Р. Вильсоном. В 1948 г. Г, Гамов теоретически показал, что если на ранних стадиях после Большого взрыва Вселенная была очень горячей, то впоследствии в процессе ее расширения свободный фотонный газ должен был охладиться примерно до 5 °К, что и наблюдалось на экспериментах.
Согласно современным космологическим теориям, возникновение Вселенной явилось следствием фазового перехода квантового вакуума. Ее первоначальные размеры соответствовали планковским масштабам— 10
_33см, 10
43с. А. Гут, С. Хокинг, А.Д. Линде показали, что в промежуток времени от 10
34 до 10
32с Вселенная испытывала стадию сверхбыстрого, или инфляционного, расширения, когда ее размеры увеличились в 10
30 раз. В процессе расширения Вселенной началось формирование элементарных частиц, а ко времени порядка 100 миллионов лет звезд и галактик.
Вакуум — в житейском понимании пустота, отсутствие реальных частиц. Но даже в классическом понимании сосуд, из которого откачали воздух, заполнен электромагнитным излучением, поступающим с его стенок. В квантовой механике вводится понятие физического вакуума как
основного состояния квантовых полей, обладающих минимальной энергией и нулевыми значениями импульса, углового момента, электрического заряда, спина и др. Физический, или квантовый, вакуум также не является пустотой: он содержит виртуальные частицы, которые рождаются в нем за промежутки времени порядка 10
22 с как следствие квантовых флуктаций в соответствии с соотношениями неопределенности Гейзенберга. Хотя индивидуально виртуальные частицы (электроны, протоны и др.) наблюдать нельзя, как ансамбль они оказывают приборно регистрируемое воздействие на свойства реальных частиц.
Вакуум — фундаментальное понятие, т. к. его свойства определяют свойства всех относительных состояний материи. Все, что происходит в нашем мире, обусловлено в конечном счете измерениями геометрических характеристик квантового вакуума. Гносеология— общее учение о познании, его структуре, методах, принципах, закономерностях функционирования и развития.
Квантовая механика— теория, описывающая свойства и законы движения физических объектов, для которых размерность действия (эрг х с) сопоставима с планковским масштабомп.= 6,62х 10
27эргхс. Этому условию удовлетворяют микрочастицы, а потому можно сказать, что квантовая механика — это наука, описывающая свойства микромира.
Квантовая механика включает в себя систему специальных понятий и соответствующий им математический аппарат.
Законы квантовой механики образуют фундамент наук о строении вещества. Методы квантовой механики позволили решить большое количество научных задач: расшифровка атомных спектров, объяснение периодической системы элементов Д. И. Менделеева, строение и свойства атомных ядер, теория фотоэффекта, физики твердого тела и полупроводников, ядерные и термоядерные реакции и др. В области макромасштабов уравнения квантовой механики переходят в уравнения обычной классической механики.
Космология — наука, изучающая Вселенную как единое целое, ее строение и эволюцию.
Термин «космология» образован из греческих kosmos — мир, гармония и logos — учение, слово. Теоретическим базисом космологии является физическая теория, а ее экспериментальные методы основаны на использовании астрономических наблюдений и специальных космических аппаратов.
Первой научной системой мира явилась геоцентрическая система, разработанная К. Птолемеем (II в. н. э.). В XVI в. Н. Коперник проанализировал недостатки этой модели и обосновал необходимость перехода к гелиоцентрической системе. Открытие Коперника стимулировало развитие физической теории. Впервые использовав телескоп для наблюдения небесных явлений, Г. Галилей получил многочисленные экспериментальные свидетельства в пользу гелиоцентрической системы мира. И. Ньютон открыл закон всемирного тяготения и разработал классическую механику, с помощью которой удалось теоретически описать большинство небесных явлений.
В начале 1922 г. А.А. Фридман нашел нестационарные решения общей теории относительности, а в 1929 г. Э. Хаббл открыл эффект красного смещения в спектрах излучения далеких галактик. Из открытий Фридмана и Хаббла следовало, что Вселенная расширяется, причем этот процесс начался 13,7 миллиардов лет назад в процессе так называемого Большого взрыва, когда Вселенная имела микроскопические размеры.
Современная космология опирается на мощную экспериментальную базу: радиоастрономические, инфракрасные, рентгеновские и другие методы наблюдения. При исследовании планет и их спутников, астероидов и комет активно используются специализированные космические зонды, оснащенные богатой измерительной аппаратурой. Разработаны космические аппараты для наблюдений с околоземной орбиты, крупнейшим из которых является телескоп «Хаббл».
Открытия в области космологии для развития физической теории имеют принципиальное значение для совершенствования современного миропредставления.
Натурфилософия — общее учение о природе, законах ее существования и развития, как одной из «сфер» бытия, существенно отличающегося от других его «сфер» — общества, культуры, сознания, человека.
Научная картина мира — совокупность общих представлений науки определенного исторического периода о фундаментальных законах строения и развития объективной реальности.
Нелинейная наука — научное направление, исследующее процессы в открытых нелинейных системах. Нелинейная наука включает в себя комплекс близко родственных смежных научных дисциплин: термодинамику необратимых процессов (И. Пригожий), теорию катастроф (Р. Том, В.И. Арнольд), синергетику, или теорию самоорганизующихся систем (Г. Хакен, СП. Курдюмов). Методы нелинейной науки находят широкое применение не только в естественно-научных исследованиях, но также в сфере гуманитарных научных дисциплин (социо- и фу-туросинергетика, демография, образование и др.). По своему влиянию на культуру и развитие цивилизации в XX в. нелинейная наука занимает третье — в порядке очередности, но не по важности — место вслед за теорией относительности и квантовой механикой.
Нелинейная наука послужила основой существенного уточнения современной общенаучной парадигмы и привела к возникновению нового феномена в рамках системы научного миропредставления ■— нелинейного, или синер-гетического, мышления.
Онтология — философское учение о бытии, его основных видах, подсистемах, «сферах», общих закономерностях их строения, функционирования, динамики и развития.
Самоорганизация — фундаментальное понятие синергетики, означающее упорядочивание, т. е. переход от хаоса к структурированному состоянию, происходящее спонтанно в открытых нелинейных системах. Именно свойства открытости и нелинейности являются причиной этого процесса. Открытость — этосвойство систем, проявляющееся в их способности к обмену веществом, энергией и информацией с окружающей средой, а нелинейность — многовариантность путей эволюции. Математически нелинейность проявляется в наличии в системе уравнений величин в степенях выше первой либо в зависимости коэффициентов от свойств среды.
Процесс, альтернативный самоорганизации — автодезорганизация, или диссипация. Диссипация — это процесс рассеяния энергии, ее превращение в менее организованные формы — в конечном счете в тепло. Эти процессы диструкции могут иметь разную форму: диффузия, вязкость, трение, теплопроводность и т. д. Самоорганизация может вести к переходу системы в устойчивое состояние — аттрактор (attrahere на латыни означает притяжение). Отличительное свойство состояния аттрактора состоит в том, что оно как бы притягивает к себе все прочие траектории эволюции системы, определяемые различными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, она
неизбежно эволюционирует к этому состоянию, а все прочие промежуточные состояния автоматически диссипируют, затухают.
Теория относительности — наука, основной смысл которой состоит в утверждении: в нашем мире не происходит ничего, кроме кручения пространства и изменения его кривизны. Возникновение теории относительности связано с неудачей обнаружить движение Земли относительно эфира, который, согласно представлениям классической физики, должен был заполнять космическое пространство. Соответствующий эксперимент был в 1887 г. поставлен А. Майкельсоном и Э. Морли и неоднократно повторен впоследствии. Чтобы объяснить этот результат, X. Лоренц выдвинул гипотезу о сокращении мины тел вдоль направления их движения. Но это была всего лишь теория ad hoc. Решение проблемы было найдено в 1905 г. А. Эйнштейном в его работе по специальной теории относительности. В основе этой теории лежат два постулата: 1. Все законы физики имеют один и тот же вид во всех инерциональных системах отсчета. 2. Во всех системах скорость света постоянна. Развивая эту теорию, в 1918 г. Г. Минковский показал, что свойства нашей Вселенной следует описывать вектором в четырехмерном пространстве-времени. В 1916 г. Эйнштейн сделал следующий шаг и опубликовал общую теорию относительности (ОТО) — фактически теорию гравитации. Причиной тяготения, согласно этой теории, является искривление пространства вблизи массивных тел. В качестве математического аппарата в ОТО использован тензорный анализ.
Скачать 2.92 Mb.