3. Диалектика развития астрономического знания
3. Диалектика развития астрономического знания
Вопрос о развитии астрономического знания имеет важное философское значение. Он предполагает анализ того, «каким образом из незнания является знание, каким образом неполное, неточное знание становится более полным и более точным»[126].
Позитивисты трактуют рост астрономического знания метафизически. Они абсолютизируют или количественный, непрерывный аспект его (кумулятивные концепции), или качественные изменения, моменты прерывности в его развитии (некумулятивные концепции). Марксизм-ленинизм исходит из того, что прогресс любой науки, в том числе и астрономии, происходит на основе единства количественных и качественных, прерывных и непрерывных изменений. Развитие форм астрономического знания характеризуется переходом от низшего к высшему, от простого к сложному, от старого к новому[127]. Оно представляет собой единство эволюционных и революционных изменений, смены исторических форм знания. Остановимся вкратце на основных этапах развития астрономического знания.
Античные мыслители разрабатывали математическую теорию видимого с Земли движения планет и Солнца. Так, Птолемей, размышляя над природой созданной им геоцентрической системы, указывал на исходные положения философского порядка. Они были заимствованы из трудов Аристотеля как космолого-астрономические принципы строения мира. Вместе с тем Птолемей опирался на астрономические опытные данные, которые, по его мнению, подтверждали центральное положение Земли[128]. Ему пришлось конструировать геометрические модели мира и выбирать из них те, которые соответствовали приведенным соображениям[129]. В конечном счете ими оказались круговые орбиты с эпициклами движения планет. Такие представления о строении Солнечной системы оказались громоздкими и внутренне противоречивыми.
В трудах античных мыслителей приводились также доказательства того, что размеры Солнца больше по величине не только Луны, но и Земли (А. Самосский), выдвигались отдельные догадки о движении Земли вокруг «центрального огня» (Филолай), видимое движение небосвода объяснялось вращением Земли (X. Сиракузский), высказывались соображения об обращении Меркурия и Венеры вокруг Солнца (Гераклит и Экфант).
Эти догадки древних послужили исходными элементами для создания Коперником гелиоцентрической теории. В обосновании системы мира Н. Коперника значительную роль сыграли эмпирические наблюдения Г. Галилея, математические вычисления И. Кеплера и философские принципы Дж. Бруно. Как видно, создатели этой теории не ограничивались использованием эмпирических знаний, они опирались и на другие предпосылки, в том числе, мировоззренческого порядка.
В новое время ограниченность системы Коперника была преодолена, что знаменовало выход исследования за пределы Солнечной системы. В этот период было установлено собственное (пекулярное) движение звезд (Галилей, Брадлей, Майер). Затем были открыты кратные (двойные) звезды, представляющие собой целостную гравитационную систему, определены яркости звезд. После этого В. Гершелем была поставлена эпохальная для астрономии задача: провести обзор всех объектов звездной Вселенной и выяснить ее строение и функционирование.
В основе решения данной задачи в ньютоновской космологии лежали определенные идеализации (космологические постулаты): предполагалось, что средняя плотность распределения звезд и их светимость постоянны (однородность); Вселенная стационарна, т. е. в однородной Вселенной не происходит изменений в распределении объектов и их светимости; метрически бесконечное пространство изотропно (равноправно по всем направлениям); законы физики, открытые на Земле, действуют повсеместно.
Однако ньютоновская космология оказалась не в состоянии решить ряд возникших в ней противоречий. Например, по данным фотометрии, свечение ночного неба от звезд должно быть столь же ярким, как и от Солнца, а на самом деле это не так. По данным термодинамики, вся Вселенная должна приближаться к тепловому равновесию, в результате которого она пришла бы к состоянию «тепловой смерти». Это тоже не подтверждалось.
Современная астрономия разрешила отмеченные выше противоречия и создала новые представления о Вселенной. «Горячая» модель Фридмана — Леметра — Гамова с нестационарной метрикой пространства-времени была подтверждена открытием явления разбегания галактик и реликтового теплового излучения. Это вызвало революцию в астрономии XX в. В ее основе лежит релятивистская (эйнштейновская) космология, базирующаяся на следующих положениях: 1) гравитационное поле выступает универсальным взаимодействием в мегамире; 2) оно описывается в уравнениях Эйнштейна геометрическими характеристиками; 3) «материальное» содержание Вселенной выражается тензором энергии-импульса. Релятивистские теории в астрономии можно разделить на пять основных типов: 1) однородная и изотропная (т. е. свойства ее объектов не зависят от направления и места) статическая Вселенная; 2) однородная и изотропная эволюционирующая Вселенная; 3) однородная анизотропная Вселенная; 4) Вселенная, в которой мировое пространство-время приобретает «необычные» топологии; 5) неоднородная анизотропная Вселенная.
В настоящее время существуют и такие модели Вселенной, которые не основаны на общей теории относительности или основаны на ней лишь частично. Это модели: 1) кинематической относительности Э. Милна; 2) стационарной Вселенной Бонди — Голда — Хойла; 3) электрической Вселенной Бонди — Боннора — Литтлтона — Уитроу; 4) модель с изменяющимися мировыми константами Иордана — Дирака, К. Станюковича, Хойта — Нарликара.
Развитие космологического знания в XX в. происходит в борьбе различных теорий. По своему содержанию они составляют диалектически противоречивое единство конечных и бесконечных, открытых и замкнутых, стационарных и нестационарных, «холодных» и «горячих» моделей Вселенной. Значительная часть этих моделей остается умозрительной, поскольку их эмпирическая проверка затруднена. В рамках классической концепции астрономии определяющее значение в наше время имеет «горячая» модель эволюционирующей Вселенной[130].
Диалектические идеи проникли в астрономию не только с понятием эволюционирующей Вселенной, но и с разработкой теорий нестационарных космических объектов. В этих теориях используются как релятивистская, так и квантово-полевая физика. Построение теоретических моделей развивающихся объектов, таких, как активные ядра галактик, вспышечная активность звезд, квазары, нейтронные звезды, «черные дыры», связано с определенными трудностями. Например, еще в 30-е годы была высказана Л. Д. Ландау в СССР, Р. Оппенгеймером в США гипотеза о том, что жизненный цикл звезд заканчивается переходом в сверхплотное состояние. Однако решающие результаты в наблюдении сверхплотных космических объектов получены лишь в конце 60-х годов[131]. Теоретические расчеты были подтверждены наблюдениями за рентгеновским излучением, проводившимися с околоземных орбит. Важным теоретическим открытием последнего десятилетия стал также вывод о рождении частиц из вакуума вблизи «черных дыр». «В результате черная дыра постепенно теряет массу, уменьшается в размере — «испаряется»»[132]. В зависимости от массы время жизни «черной дыры» соизмеримо с возрастом «Вселенной».
Большое значение для диалектико-материалистического мировоззрения имеет открытие направленных изменений таких объектов, как «черные дыры» или ядра галактик. Они свидетельствуют о саморазвитии космических систем и тем самым подтверждают диалектическую концепцию развития, о которой В. И. Ленин писал, что она «дает ключ к „самодвижению" всего сущего; только она дает ключ к „скачкам", к „перерыву постепенности", к „превращению в противоположность", к уничтожению старого и возникновению нового»[133]. Однако проблемы образования и эволюции галактик с точки зрения происходящих в них физических процессов пока еще раскрыты далеко не полностью.
Существующие гипотезы в этой области можно разделить на два типа: «классические», согласно которым известных физических законов достаточно для понимания явлений, происходивших вплоть до «начала» расширения Вселенной, и «неклассические», предполагающие, что для объяснения ряда астрономических явлений необходимы «радикально новые физические концепции»[134]. Последнюю точку зрения разделяют те физики и философы, которые считают, что для понимания строения Вселенной целесообразно использовать принципиально новую топологию пространства[135].
Следует иметь в виду, что пока в рамках классической концепции объясняются и даже предсказываются многие астрономические явления, такие, как протозвезды, сжимающиеся облака газа, «черные дыры». Нужна ли для понимания галактик «новая физика», покажет ближайшее будущее. Возможно, что вклад астрофизики в отдельные разделы современной физики в целом будет большим, чем ее вклад в построение будущей физической теории. Формирование последней в основном определено ее собственным развитием, внутренними парадоксами и антиномиями.
Таким образом, революция в астрономии XX в. сформировала эволюционный стиль мышления, вызвала значительные изменения в объекте, субъекте исследования и в условиях и средствах познания Вселенной. Это оказывает значительное влияние и на формирование нового физического знания. Если революция в физике в конце XIX — начале XX в. породила в ней диалектические представления, выраженные в корпускулярно-волновом дуализме, принципе дополнительности координатного и импульсного, временного и энергетического, физического и геометрического, логического и топологического описаний объектов, то революция в астрономии значительно расширила и обогатила их[136].
В. А. Амбарцумян и В. В. Казютинский отмечают следующие общие признаки любой научной революции: во-первых, «радикальные изменения в самом субъекте деятельности», связанные в конечном счете с общественно-исторической практикой в целом. Во-вторых, «открытие принципиально новых классов природных объектов или явлений», например открытие микромира и мегамира. В-третьих, «появление принципиально новых средств познания». К ним относятся методы «всеволнового» исследования Вселенной, выход человека в космос. В-четвертых, «подобные же изменения условий познания». Они охватывают все средства эмпирического и теоретического уровней науки. В-пятых, «изменение в характере познавательных действий», включающее изменения в познавательных операциях и процедурах. В-шестых, «радикальная перестройка системы знания», охватывающая сами основы, фундаментальные законы и принципы[137].
Отмеченные черты характерны и для революции в астрономии XX в. Ее главным итогом И. С. Шкловский считает то, что «был доказан наблюдениями факт, что Вселенная и составляющие ее объекты непрерывно меняются»[138].
Эволюционный стиль мышления современной астрономии ускоряет в ней внутренние интегративные процессы. На общей концептуальной основе объединяются астрофизика и космогония, поскольку та и другая изучают объекты со сходными законами эволюции. Вместе с тем космогония интегрируется с космологией, так как Вселенную после начала ее расширения можно рассматривать в качестве одной из метагалактик, подчиняющейся общим законам образования галактик. Подобная интеграция оказалась возможной лишь после предварительной дифференциации и специализации астрономии на основе эволюционных представлений. В этой особенности астрономического знания своеобразно проявляется синтез принципа развития с принципом материального единства мира.
В целом механизм функционирования и развития Вселенной в настоящее время изучен лишь в общих чертах, а многие проблемы остаются пока открытыми. Кроме уже отмеченных, к ним относится природа начальной космологической сингулярности. С ней И. С. Шкловский предположительно связывает содержание следующей революции в астрономии[139]. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
В эволюции начальных моментов образования Вселенной в результате «большого взрыва» можно выделить пять гипотетических этапов. Первый начинается от времени 10-43 сек. после этого события и длится до 10-35 сек. Он характеризуется рождением нетепловых реликтовых гравитонов. Последние экспериментально пока не обнаружены, однако в принципе это не исключено в будущем. Второй этап длится от 10-35 сек. до 10-9 сек. В это время возникает зарядовая несимметрия: избыток барионов над антибарионами. Объяснение этого процесса возможно в строящейся сейчас теории, которая объединяет электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. На третьем этапе — от 10-9 сек. до 10-7 сек. рождается множество промежуточных бозонов. Они являются основой для объединения электромагнитного и слабого взаимодействия. На четвертом этапе, длящемся от 10-7 сек. до 10-2 сек., возникают кварки, находящиеся в тепловом равновесии. На пятом — от 10-2 сек. и далее образуется первичный гелий. Наблюдения процентного состава его во Вселенной подтверждают предположение о том, что он возник в этот период[140].
В настоящее время теоретическое исследование околосингулярных этапов «рождения» Вселенной ведется с позиции квантовой космологии. Оно показывает, что интенсивное рождение частиц вблизи сингулярности происходит лишь при резком анизотропном расширении Вселенной. Затем под влиянием тяготения родившихся частиц в очень короткое время расширение становится изотропным.
Вместе с тем о процессах, происходящих в первые моменты времени (до 10-44 сек.), наука не может судить с достоверностью. Предполагается, что здесь образуются квантово-гравитационные эффекты в сверхсильных полях. От уяснения роли этих эффектов зависит представление о строении Вселенной в целом. Их пока не может описать ни классическая, ни квантовая физика, использующие обычные пространственно-временные многообразия. Как отмечают Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков, «в квантово-гравитационной области сами пространство и время, возможно, приобретают вероятностные недетерминированные свойства»[141].
Сингулярность объясняется пока лишь гипотетично в рамках «неклассической» концепции[142]. При этом важную роль играют представления о пространствах, меняющих с течением времени свои топологические свойства. Примером использования таких представлений служит понятие суперпространства, являющегося абстрактным пространством, каждая точка которого есть трехмерный пространственный срез через всю возможную Вселенную. В нем сингулярность представляет собой как бы особую точку, в которой сопрягаются области с различными топологиями. Что же происходит со Вселенной, когда она проходит через эту точку? Н. В. Мицкевич так отвечает на этот вопрос: «В эти периоды мир, подобно взбесившейся стиральной машине, дочиста уничтожает всю информацию, всякий порядок в себе самом и после выхода на спокойную «орбиту» вынужден спонтанно генерировать законы своей эволюции — законы природы»[143]. В таком «метакосмологическом» представлении сами физические законы и константы сменяются на новые, одни конкретные формы бытия сменяются другими.
Если анализ явлений сингулярности приведет к построению новой фундаментальной физической теории, то революция в астрономии XX в. из «локальной» (по оценке В. А. Амбарцумяна и В. В. Казютинского) перерастет в «глобальную». И хотя развитие физики при этом будет следовать своей внутренней логике, на нее значительное влияние окажут эволюционные астрономические представления. В «новой» физике нынешняя физика может оказаться лишь одним из вариантов реализации принципов и законов, констант, пространственно-временной структуры, причинной связи на определенном этапе развития Вселенной. Философско-методологическим вопросам формирования новой теории «неклассического» типа (бюраканской) до сих пор уделялось недостаточное внимание. Однако от них зависит мировоззренческая и методологическая ориентация естествоиспытателей, готовность их к генерированию «безумных» идей.
Что можно сказать о прогнозе будущего развития теории? Приведенный выше подход к проблеме космологической сингулярности основывается главным образом на идеях квантово-динамической топологии, разрабатываемых группой Дж. А. Уилера. Эти концепции относятся к «нелокальному» подходу в построении физической теории[144]. Такая программа построения новой теории в философском отношении является наиболее перспективной, хотя в физическом — менее результативна.
В основе различных вариантов «нелокального» подхода лежат модели пространства и времени с изменяющимися топологическими свойствами. Можно выделить четыре вида концепций, использующих различные исходные модели: а) с необычной размерностью пространства-времени (Р. О. Бартани, Г. Венециано); б) с неархимедовой топологией, т. е. дискретностью (Д. Д. Иваненко, В. А. Амбарцумян, В. П. Кадышевский); в) с неевклидовой топологией (Дж. А. Уилер, И. Г. Иван-тер); г) с обратимым временем (Р. Фейнман, Г. В. Рязанов). В них одно из топологических свойств пространства или времени принимается как необычное, в то время как другие сохраняют старую топологию. Каждая из этих теорий, добиваясь успеха в одном отношении, не может удовлетворительно объяснить других фактов. Так, выше была показана ограниченность концепции Уилера в объяснении космологической сингулярности. Однако на основе положения о взаимосвязи относительно-универсальных признаков атрибутов материи можно выбрать принцип взаимосвязи топологических свойств пространства и времени.
Современная физика и астрономия не только подтверждают этот принцип, но и дают богатый материал для понимания взаимосвязи топологических свойств. Так, Г. Рейхенбахом была показана связь между дискретностью и размерностью пространства и нарушением предела скорости света[145]. Последнее же вызывает изменение топологического свойства времени — его направленности. Чтобы понять подобные «метаморфозы» содержания атрибутов материи в их взаимосвязи, необходимо допустить и многообразие типов взаимодействия, детерминации, учесть изменчивость самой взаимосвязи.
Иллюстрацией такого представления может служить теорема Р. Герока[146], согласно которой изменение топологии в физических процессах воспринимается с точки зрения старой топологии как «резкое нарушение причинности»[147]. Эта теорема объясняет не только процессы, происходящие в квазарах и «черных дырах», но и мысленный эксперимент Эйнштейна — Подольского — Розена, которые показали, что «разъединенные» квантовые системы способны оказывать взаимную детерминацию без причинной передачи взаимодействия, через разделяющее их пространство.
Приведенные факты, революционизирующие представления о формах и свойствах существования материи, едва ли могут быть поняты без представлений об изменчивости и взаимосвязи относительно-универсальных ее признаков. Так современные диалектико-материалистические положения объясняют возможность изменчивости и предсказывают возможность взаимосвязи топологических свойств пространства и времени. Наиболее перспективным в формировании новой теории, на наш взгляд, является выбор в различных способах теоретического исследования программы использования пространств с переменной топологией.
В методологическом отношении нельзя однозначно предсказать характер взаимосвязи топологических свойств — это задача конкретных исследований. Однако можно судить о формальных трудностях в построении физико-космологической теории. Они вызваны отсутствием математического аппарата преобразования пространств одной топологии в пространство другой.
Для описания физического пространства новой теории недостаточно имеющихся математических структур, даже таких, как «суперпространство» Уилера. Следует отметить, что аналогичное положение создалось и в квантовой физике, где также показана недостаточность современных математических средств для описания физических объектов. Хотя топологические свойства пространства-времени в них и принимаются необычными, но изменение их происходит вне взаимосвязи этих свойств.
Взаимосвязь метрических свойств с законами сохранения выражена в теореме Нетер, а с зарядовой симметрией — в СРТ-теореме. В указанных теоремах в конкретно-научной форме выражены связи относительно-универсальных признаков, а эффективность их использования доказана в построении квантовой теории поля. В новой теории неклассического типа подобную роль может сыграть теорема Герока. Как уже отмечалось, в ней вскрывается взаимосвязь топологических свойств пространства и времени с причинностью протекания физических процессов. В свою очередь теорема Белла, доказывая невозможность совмещения принципа причинности с принципом локальности в описании квантовых объектов, находится в отношении дополнительности к теореме Герока.
Эти факты свидетельствуют о правомерности вывода о взаимосвязи топологических свойств пространства и времени друг с другом и с причинными связями физических процессов. Здесь возникают вопросы о направленности этих изменений, о том, каким образом индуцируется топология и какими физическими свойствами мира она детерминирована? Ответы на них, очевидно, даст новая теория. Она будет свидетельствовать о том, что «исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными… и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи»[148].