Лекция I. Философия

Лекция I. Философия

Год назад Стивен Уэйнберг опубликовал замечательную книгу «Первые три минуты» (Weinberg, 1977); в ней он рассказывает широкой публике о том, каково состояние наших знаний о рождении вселенной. В шестой главе книги он подробно описывает, каким образом на пути наблюдения и изучения вселенной встала робость наших теоретиков:

Такое часто случается в физике: наша ошибка не в том, что мы слишком серьезно относимся к своим теориям, а в том, что не принимаем их всерьез. Нелегко в полной мере осознать, что цифры и уравнения, с которыми мы играем у себя за столом, имеют какое?то отношение к реальному миру. Хуже того, порой, кажется, возникает какое?то молчаливое соглашение о том, что определенные феномены просто не годятся для серьезного теоретического и экспериментального изучения. Альфер, Герман и Гамов (1948) заслуживают величайшего уважения прежде всего за то, что вообще решились серьезно рассмотреть вопрос о новорожденной вселенной и попытались понять, какие из известных нам физических законов применимы к первым трем минутам ее существования. Но даже они не сделали последнего шага — не убедили радиоастрономов поискать микроволновый радиационный фон. Самый важный из результатов, достигнутых открытием радиационного фона с температурой 3°К (Пенсиас и Уилсон, 1965): оно наконец заставило людей всерьез задуматься о том, что ранняя вселенная действительно существовала.

Благодаря Пенсиасу и Уилсону, Уэйнбергу и другим, изучение начала вселенной в наше время считается вполне серьезным и уважаемым занятием. Профессиональным физикам, занятым первыми тремя минутами — или первой микросекундой — больше не приходится смущаться, говоря о своей работе. А вот с концом вселенной все обстоит совсем по–другому. Разыскивая литературу по этой теме, я нашел всего несколько статей (Rees, 1969; Davies, 1973; Islam, 1977 и 1979; Barrow and Tipler, 1978). Разумеется, список не полон. Однако в этих статьях поражает их извиняющийся или шутливый тон, как будто сами авторы умоляют не принимать их всерьез. В наше время исследование отдаленного будущего предстает таким же сомнительным занятием, каким было тридцать лет назад исследование далекого прошлого. Я в особенном долгу перед Джама–лем Исламом за черновик его статьи, опубликованной в 1977 году, который впервые заставил меня серьезно задуматься об отдаленном будущем. Надеюсь, эти мои лекции приблизят наступление дня, когда эсхатология, наука о конце вселенной, из раздела богословия превратится в серьезную и уважаемую научную дисциплину.

Сам Уэйнберг не избежал предрассудков, которые я стараюсь развеять. В конце своей книги, посвященной прошлому вселенной, он дает краткое приложение, касающееся ее будущего. Первые три минуты он описывает на ста пятидесяти страницах, а всему, что ждет нас дальше, отводит всего пять страниц. Если оставить в стороне технические подробности, его взгляд на будущее выражается одной фразой:

Чем понятнее для нас вселенная, тем бессмысленнее она нам представляется.

Здесь Уэйнберг, возможно сам того не желая, указывает на реальную проблему. Невозможно детально описать долгосрочное будущее вселенной, не учитывая влияния жизни и разума. Невозможно вычислить способности жизни и разума, не затрагивая хотя бы вскользь философских вопросов. Если мы хотим понять, как может разумная жизнь использовать физическое развитие вселенной в своих собственных целях, нам не удастся полностью избежать вопроса о том, каковы могут быть ценности и цели разумной жизни. Но стоит упомянуть слова «ценность» и «цель» — и мы на полном ходу врезаемся в одно из жесточайших табу, установленных наукой XX века. Послушаем, что говорит Жак Моно (1970), первосвященник научной рациональности, в своей книге «Случайность и необходимость»:

Всякое смешение знания с ценностями незаконно и недопустимо.

Моно — один из основателей молекулярной биологии. Страшно подпадать под его анафему. И все же я рискну с ним поспорить и других постараюсь подвигнуть на то же самое. Табу на смешение знания с ценностями пришло к нам из XIX века, из великой битвы между биологами–эволюционистами во главе с Томасом Гексли и церковниками под предводительством епископа Уилберфорса. Гексли битву выиграл, но и сто лет спустя Моно и Уэйнберг все еще сражались с призраком епископа Уилберфорса. В наше время у физиков нет причин опасаться этого призрака. Если анализ отдаленного будущего приведет нас к вопросам, связанным с темами конечного смысла и цели жизни — давайте исследовать эти вопросы смело и без стеснения. И что за беда, если наши ответы на эти вопросы окажутся наивными и незрелыми? Значит, наука по–прежнему жива — и ей есть куда двигаться.

В этих лекциях я постараюсь исследовать будущее так же, как Уэйнберг в своей книге исследовал прошлое. Мои высказывания будут просты, даже примитивны, но неизменно подкреплены цифрами. Моя цель — установить количественные параметры судьбы вселенной. Извиняться за то, что смешиваю философские рассуждения с математическими уравнениями, я не собираюсь.

Две простейшие космологические модели (Weinberg, 1972) описывают универсальную вселенную с нулевым давлением, открытую или закрытую. Геометрия закрытой вселенной описывается уравнением

ds² = R²[d?² — d?² — sin²?d?²], (1)

где ? — пространственная координата, движущаяся вместе с материей, ? — временная координата, связанная с физическим временем t по формуле:

t = Т₀ (? — sin?), (2)

a R — радиус вселенной, заданный по формуле:

R = сТ₀ (1 — cos?), (3)

Вселенная в целом представлена в системе пространственно–временных координат (?, ?) как конечный прямоугольный параллелепипед:

О< ?< 2?, 0< ?< ?. (4)

Вселенная замкнута как в пространстве, так и во времени. Общая ее протяженность —

2?Т₀, (5)

где Т₀ — в принципе измеряемое количество. Если наша вселенная описывается этой моделью, значение Т₀ должно составлять, как минимум, 10¹⁰ лет.

Простейшая модель универсальной открытой вселенной с нулевым давлением описывается уравнением:

ds² = R²[d?² — d?² — sinh²?d?²], (6)

где

t = T₀ (sinn? — ?), (7)

R = cT₀ (cosh? — 1), (8)

а координаты (?; ?) простираются в бесконечность:

О< ?< ?, 0< ?< ? (9)

Открытая Вселенная определена сразу в пространстве и во времени.

Модели (1) и (6) — это лишь простейшие из возможностей. В литературе можно найти множество иных, куда более сложных моделей. Но для наших целей достаточно обсудить (1) и (6) как примеры открытой и закрытой вселенных. Вопрос о том, является ли наша вселенная открытой или закрытой, можно разрешить только наблюдением. Этого вопроса я больше касаться не буду, замечу лишь, что мои философские убеждения свидетельствуют в пользу открытой вселенной, и имеющиеся у нас данные наблюдений не исключают этой возможности (Gott, Gunn, Schramm, and Tinsley, 1974 и 1976).

Обычно считается (Weinberg, 1977), что открытую и закрытую вселенные ждет равно печальное будущее. Согласно этому мнению, выбор у нас невелик — поджариться в закрытой вселенной или замерзнуть в открытой. Конец закрытой вселенной детально описан Ризом (1969). К сожалению, приходится согласиться с Ризом в том, что в этом случае избежать превращения в жаркое нам не удастся. Как бы глубоко мы ни зарывались в землю в надежде спастись от всевозрастающей ярости фоновой радиации голубого смещения, самое большее, что нам удастся, — отсрочить на несколько миллионов лет свой прискорбный конец. Не буду подробно обсуждать случай закрытой вселенной — мысль о том, что все наше бытие заперто в ящике с параметрами (4), вызывает у меня клаустрофобию. Коснусь лишь одного вопроса, дающего нам призрачный шанс на выживание. Предположим, мы выяснили, что вселенная от природы закрыта и приговорена к уничтожению. Что, если благодаря вмешательству разума, например, превращая материю в излучение и заставляя энергию двигаться в определенном направлении, мы сумеем прорвать стены закрытой вселенной и изменить топологию пространства–времени таким образом, что лишь часть ее погибнет, а другая часть будет расширяться вечно? Ответа на этот вопрос я не знаю. Но, если выяснится, что наша вселенная закрыта, у нас останется примерно 1010 лет на исследование возможности такого «технологического прорыва».

Меня интересует в первую очередь открытая космология, поскольку она предоставляет гораздо больше возможностей для деятельности жизни и разума. В открытой космологии горизонты расширяются до бесконечности. Говоря точнее, расстояние до горизонта в модели (6) равно

d = R?, (10)

где R задано (8), а количество видимых в этом горизонте галактик составляет

N = N₀ (sinh2? — 2?), (11)

где N₀ — это число порядка 10¹⁰.

Сравнив (11) с (7), мы видим, что количество видимых галактик в далеком будущем варьируется в пределах t². Это происходит благодаря той любопытной числовой закономерности, что угловой размер типичной галактики во время t составляет

5~ 10⁵t^-1rad, (12)

где t измеряется в годах. Поскольку (11) и (7) дают

N ~ 10^–10t², N?² ~ 1, (13)

оказывается, что, как бы далеко в будущее мы ни заглянули, небо всегда будет заполнено галактиками. По мере того, как видимые размеры каждой галактики уменьшаются, на горизонте появляются новые галактики, заполняющие пустоты. Свет от далеких галактик будет иметь сильное красное смещение. Однако, если со временем мы сумеем приспособить свое зрение ко все более и более длинным световым волнам, небо никогда не станет для нас пустым и темным.

Говоря об открытой вселенной, описываемой формулой (6), хотелось бы обсудить три принципиальных вопроса:

1. Верно ли, что по мере своего расширения и остывания эта вселенная замерзнет до состояния полного физического покоя?

2. Возможно ли в открытой вселенной бесконечное выживание жизни и разума?

3. Возможно ли поддерживать коммуникацию и передавать информацию при все увеличивающемся расстоянии между галактиками?

Эти три вопроса мы подробно обсудим в лекциях 2, 3 и 4. Я собираюсь ответить на них «нет», «да» и «может быть». Возможно, эти ответы — лишь отражение моих оптимистических философских предубеждений. Я не жду, что все с ними согласятся, и хочу лишь того, чтобы люди начали серьезно размышлять на эти темы.

Если, как я надеюсь, мои ответы окажутся верны, что это означает? Это будет означать, что мы открыли в физике и астрономии некий аналог теоремы Геделя (1931) в математике. Гедель доказал [см. Нейджел и Ньюман (1956)], что мир чистой математики неистощим: не существует конечного набора аксиом и правил, исчерпывающих всю математику; в пределах каждого конечного набора аксиом мы можем найти важные математические вопросы, на которые эти аксиомы не отвечают. Надеюсь, такая же ситуация существует и в мире физики. Если мое представление о будущем верно, это означает, что мир астрономии и физики также неистощим; как бы далеко в будущее мы не заглянули, в нем всегда происходит нечто новое: поступает новая информация, открываются для исследования новые миры, постоянно расширяется область владений жизни, сознания и памяти.

Рассуждая таким образом, я смешиваю знание с ценностями и нарушаю запрет Моно. Однако я не первый. До эпохи Дарвина, Гексли и епископа Уилберфорса, в восемнадцатом столетии, ученые не чурались смешения науки с ценностными суждениями. Когда Томас Райт (1750), первооткрыватель галактик, объявил о своем открытии, его не смутила возможность использовать в поддержку астрономической теории богословский аргумент:

Поскольку, возвеличивая творение, мы возвеличиваем и Творца, то, памятуя о его бесконечности и бесконечной творящей силе, благочестиво будет заключить, что, как видимое творение полно созвездий и планетарных миров, так и бесконечная глубина являет неисчислимое множество творений, подобных нам известным… О том, что это истина, свидетельствуют едва различимые туманные точки, расположенные вдали от известных нам созвездий, на таком расстоянии, откуда не мог бы долететь до нас свет звезды или иного небесного тела; весьма вероятно, что это иные тварные миры, граничащие с нашим, но столь отдаленные, что до них не достигают даже наши телескопы.

Тридцать пять лет спустя рассуждения Райта были подтверждены точными наблюдениями Уильяма Гершеля. Кроме того, Райт вычислил количество пригодных для обитания миров в нашей галактике:

В целом число их должно составлять 170 000 000, не считая комет, которые, по моему суждению, являются самыми многочисленными из небесных тел тварного мира.

Утверждение Райта о кометах, возможно, тоже верно, хотя он и не сообщает, как определил их численность. Существование такого количества пригодных для обитания миров для него не только научная гипотеза, но и предмет моральной рефлексии:

В этом великом небесном творении гибель одного мира, такого, как наш, или даже полное уничтожение системы миров может означать для великого Творца Природы не более, чем для нас — самое обычное жизненное происшествие; и весьма вероятно, что такие последние и окончательные Судные дни случаются здесь не реже, чем у нас на земле — дни рождения или смерти. В этой мысли есть нечто столь ободряющее, что всякий раз, возводя глаза к небу, я спрашиваю себя, почему бы всем нам не стать астрономами; ибо если бы люди, наделенные умом и здравым смыслом, не пренебрегали наукой, к коей влекут их естественные устремления, то понимание природы убедило бы их в собственном бессмертии и научило со спокойствием и бесконечным терпением переносить все неприятности, присущие человеческой природе.

Наблюдение за звездным небом подсказывает нам, чего не следует делать, чтобы сохранить свое природное право на это драгоценное достояние, которое, увы, мы воображаем принадлежащим нам безраздельно, как некоей расе тщеславных гигантов, хотя на деле мы бесконечно малы и прикованы к своему миру, как к малой песчинке приковано множество атомов песка.

Такова мудрость восемнадцатого столетия. «Чем лучше мы понимаем вселенную, тем более бессмысленной она нам представляется», — отвечает на это Стивен Уэйнберг. Что ж, если это мудрость нынешнего века, я предпочту век давно минувший.