Теория и реальный мир

Теория и реальный мир

(беседа с доктором физико-математических наук А.Л. Зельмановым)

Московский космолог доктор физико-математических наук А.Л. Зельманов был одним из самых выдающихся советских астрофизиков-теоретиков второй половины XX столетия, отличавшийся оригинальным подходом ко многим проблемам современного естествознания.

Мы думаем, что предлагаемая беседа с А.Л. Зельмановым, составленная на основе нескольких интервью с этим незаурядным ученым, поможет читателям лучше разобраться в тех вопросах современной физики и астрофизики, которым посвящена настоящая книга и которые так или иначе связаны с проблемами пространства и времени…

Автор: С развитием науки нередко оказывается, что какая-то из основных физических теорий может быть выведена из более общей. В чем состоит специфика такого «перехода»?

Зельманов: Представим себе, что у нас есть две теории, одна из которых частная, то есть менее общая, другая – более общая. Общая теория применима к более широкому кругу явлений, чем частная. У этих теорий разные уравнения. И дело не просто в том, что уравнения общей теории позволяют производить более точные количественные расчеты. Между ними есть существенные качественные отличия. Если взять совокупности всех физических величин, которые входят в уравнения двух теорий, то окажется, что они различны. Есть некоторые величины, общие для обеих теорий, но есть и разные: в уравнениях общей теории одни, в уравнениях частной – другие. При этом чрезвычайно существенно, что появление новых величин в уравнениях более общей теории связано с применением новых понятий.

Когда совершается переход от частной теории к общей, оказывается, что сами понятия частной теории (понятия, а не только уравнения) носят приближенный характер. Новые понятия, применяемые в более общей теории, являются более точными. Именно поэтому частная и общая теории качественно отличаются друг от друга.

Исторически – переход от частной теории к более общей – это революция, требующая непривычных, «безумных» идей, выработки совершенно новых понятий.

Автор: Значит, вы считаете, что в процессе развития физики и астрофизики «безумные» теории, то есть резко противоречащие принятым взглядам, имеют право на существование?

Зельманов: Вообще говоря, нормальный путь развития науки состоит в том, что каждое новое явление мы стремимся объяснить на основе уже известных закономерностей. Но когда появляется уверенность в полной невозможности подобных объяснений, наступает время «безумных» идей.

Автор: Что же может послужить критерием этой уверенности?

Зельманов: Такого рода критерий подсказывает нам история естествознания. Иногда в науке создается положение, когда совокупность всех известных фактов хорошо укладывается в определенную систему физических принципов. Но обнаруживаются новые факты (явления), которые не могут быть объяснены в рамках прежних теорий.

Может случиться и так, что основные физические теории, хорошо объясняющие разные факты, логически исключают друг друга. Тогда создается положение, при котором невозможно уложить в одну теоретическую схему все факты – и старые и новые: одни факты как бы противоречат другим. Так, по-видимому, можно сформулировать критерий революционной ситуации в физике.

В таких случаях необходимы принципиально новые идеи, с точки зрения которых факты перестают противоречить друг другу. Конечно, то, что одни факты противоречат другим, далеко не всегда очевидно, поэтому и необходимость новых «безумных» идей может быть осознана уже после того, как они будут фактически высказаны и приведут к созданию новой теории, которая впоследствии окажется основной.

Теоретическая астрофизика строится на основе физики. Поэтому «безумные» идеи в астрофизике непосредственно относятся к области физики; это прежде всего те же «безумные» идеи, в которых может нуждаться физика. Вот почему применительно к астрофизике интересующий нас вопрос сводится к следующему: можно ли без логических противоречий объяснить совокупность всех известных в настоящее время астрофизических фактов в рамках существующих основных физических теорий, или же для этого нужны новые, еще неизвестные принципы («безумные» идеи), необходимость которых в самой физике достаточно очевидна?

Поскольку основным источником эмпирических сведений в астрофизике служат наблюдения, а не эксперименты, ответить на этот вопрос гораздо труднее, чем на вопрос о необходимости «безумных» идей в физике. Поэтому, пытаясь объяснить всю совокупность открытых фактов на основе известных физических закономерностей, нужно иметь в виду также возможность и вероятность того, что некоторые из этих фактов могут получить правильное объяснение лишь с точки зрения новых, еще неизвестных физических принципов.

Автор: Как вы в таком случае относитесь к идее «все более странного мира», открываемого в процессе развития естествознания?

Зельманов: Разумеется, всякий раз, когда очередные «безумные» идеи органически входят в науку, они перестают казаться странными и безумными. Но на последующих этапах развития науки возникает необходимость в новых идеях, «безумных» с точки зрения тех, которые уже стали привычными. В этом смысле ожидание открытия «все более странного мира» и соответственно ожидание своеобразного «нарастания безумия» основных идей (презумпция нарастающего «безумия») парадоксальным образом оказываются наиболее разумной психологической позицией.

И если вдуматься, это совершенно естественно: ведь «безумные» идеи в науке в конечном счете всего лишь «непривычные» идеи, с которыми мы раньше не встречались.

Автор: А есть ли возможность на основе уже существующих теорий предсказывать еще неизвестные нам явления во Вселенной?

Зельманов: Есть. Ведь открытие фактов, лежащих вне круга применимости существующих теорий, не означает, что последние исчерпали себя внутри этого круга. В частности, еще далеко не исчерпаны возможности общей теории относительности в астрофизике.

Автор: Мы постоянно употребляем термин «Вселенная» в разных смыслах и в разных контекстах. Что же такое Вселенная?

Зельманов: Можно сказать, что Вселенная – это предмет изучения астрономии; астрономия – наука о Вселенной. Но астрономия, как и любая конкретная наука, изучает материальный мир со стороны некоторых интересующих данную науку аспектов… Таким образом, Вселенная – это материальный мир, рассматриваемый со стороны его астрономических аспектов.

Автор: Что же представляют собой эти «астрономические аспекты» материального мира?

Зельманов: Для ответа на этот вопрос нам необходимо обратиться к одному из самых поразительных эмпирических фактов – к факту существования последовательности материальных структурных образований разных масштабов и различной степени сложности – от элементарных частиц до Метагалактики. Эту последовательность иногда называют структурно-масштабной лестницей. Ступенями этой лестницы служат элементарные частицы и атомные ядра, атомы и молекулы, макроскопические тела, космические тела, системы космических тел вплоть до Метагалактики. Такова известная нам в настоящее время часть структурно-масштабной лестницы, которая охватывает гигантский интервал масштабов, составляющий более 40 порядков – от 10^-13 сантиметра до 10²⁸ сантиметра.

С точки зрения масштабов человек принадлежит к классу макроскопических тел, а Земля, на которой мы живем, – к классу космических тел. Это обстоятельство – положение человека на структурно-масштабной лестнице – определяет применяемые им методы изучения объектов, составляющих различные ступени той же лестницы: от макроскопических тел в сторону меньших масштабов – главным образом эксперимент, прежде всего физический эксперимент, от космических тел в сторону больших масштабов – астрономические наблюдения.

Это значит, что Вселенная – это материальный мир, изучаемый в больших масштабах.

Автор: А что вы понимаете под материальным миром?

Зельманов: С моей точки зрения, понятие материального мира в принципе равнозначно понятию материи. В словосочетании «материальный мир» подчеркивается целостность материи, это – материя как целое. Целостность же материального мира – это единство всех его аспектов. А когда речь идет о Вселенной, мы рассматриваем только материю, взятую в больших масштабах, и уже тем самым ограничиваем себя, в частности, рассмотрением неживой материи и вообще отвлекаемся от существования всех других ее аспектов, не связанных с этими большими масштабами.

Автор: Но Вселенную изучает не только астрономия, но и космология. В чем различие между ними?

Зельманов: Космология – один из разделов астрономии. В отличие от других ее разделов, изучающих конкретные космические объекты с различных точек зрения; космология претендует на изучение Вселенной как целого. Точнее, космология – есть физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной.

Автор: Если я вас правильно понял, вы различаете теорию и учение.

Зельманов: Совершенно верно. Учение – более общее понятие, чем теория. Теория – такое учение, которое может и должно быть проверено эмпирическими данными. Учение же может быть такой проверке и не доступно. Что же касается космологии, то поскольку она основывается не только на эмпирических данных, но и на основных законах физики, на основных физических теориях, область применимости которых в принципе выходит далеко за пределы охваченного наблюдениями мира, то она может представлять собой именно учение о Вселенной как целом.

Автор: Но выводы этого учения, которые выходят за границы охваченного наблюдениями мира, очевидно, не доступны непосредственной эмпирической проверке. Что же в таком случае может явиться критерием справедливости космологических построений?

Зельманов: Таким критерием может служить сохранение выводов космологии при замене основных физических теорий, лежащих в ее основе, новыми теориями, более общими и, следовательно, опирающимися на несравненно более широкий круг фактов.

Разумеется, кроме эмпирических и физико-теоретических данных для космологии весьма существенны и философские принципы, поскольку она соприкасается с коренными вопросами философии и, кроме того, не может обойтись без далеко идущих обобщений и экстраполяции.

Автор: В научной литературе встречаются термины: «Вселенная Эйнштейна», «Вселенная Фридмана», «Вселенная Наана», в том числе и «Вселенная Зельманова». Как это понимать?

Зельманов: Под этими терминами имеются в виду различные модели, то есть теоретические схемы Вселенной, соответствующие разным представлениям о ней как целом.

Автор: Однако существует мнение, согласно которому разные теоретические «вселенные» – это действительно реальные космические системы, существующие где-либо в пространстве мироздания.

Зельманов: Говорить о реальном существовании других вселенных имеет смысл лишь в том случае, если самый факт их существования допускает проверку или непосредственную, или хотя бы косвенную, теоретическую. В частности, теория инфляционной Вселенной допускает теоретическую возможность существования бесчисленного множества обособленных космических миров. Нельзя исключить, что дальнейшее развитие этой теории логически свяжет факт существования множества вселенных с какими-то реальными свойствами каждой из них: в том числе и той, в которой мы живем. Это будет означать, что между различными вселенными все же существует некая взаимная связь. Хотя эта связь и будет отличаться от обычной причинно-следственной связи. А это означает, что косвенные подтверждения существования других вселенных могут быть в принципе обнаружены и при изучении нашей собственной Вселенной.

Автор: Как известно, наши взгляды на мир в значительной степени связаны с существованием в природе законов сохранения. Можно ли представить себе такие условия, при которых эти законы не действуют? Что в таком случае произойдет? Могут ли существовать в природе законы еще более общие?

Зельманов: Современная физика действительно знает ряд законов сохранения, однако не все они универсальны! Некоторые из них, например, при сильных взаимодействиях выполняются, а при слабых – нет. Но наиболее общие законы сохранения остаются справедливыми всегда, по крайней мере во всех известных нам случаях. К их числу относятся законы сохранения массы, энергии, количества движения, момента количества движения.

Между прочим, законы сохранения весьма «устойчивы» по отношению к смене физических теорий. Весьма вероятно, что и фундаментальные принципы будущей единой физической теории также будут связаны с идеей сохранения. Хотя какую именно форму примут тогда законы сохранения, сказать трудно. Но даже если все известные сейчас законы сохранения окажутся следствием каких-то других более общих законов, которые не являются законами сохранения в привычном для нас смысле, то никакой катастрофы при этом не произойдет.

Автор: Что вы думаете о тех трудностях, с которыми в обозримом будущем могут встретиться физика и астрофизика в процессе дальнейшего изучения Вселенной, в частности, проблем пространства и времени?

Зельманов: История науки показывает, что какие бы затруднения ни встречались в ее развитии – а она и не развивается иначе, как через затруднения, – они обязательно рано или поздно преодолеваются. При этом обычно рождаются новые трудности, иногда в еще большем числе, но преодолеваются и они. Таков диалектический ход развития науки…