Текст книги "Неопределенная Вселенная"

Глава 11
Проблемы небесной философии

Мне пришлось отказаться от участия в конференции в Монреале, которая должна была завершить мой поход в поисках небесной мудрости на земле. Посетив астрофизиков в Гарварде и космологов на Кубе, я собирался встретиться с философами, работающими в области философии космологии. Однако что может остановить ищущего человека? Отказавшись от фактического участия в конференции, я все же засел за ее материалы и просмотрел все, что на ней происходило, а также ознакомился с обширными работами по философии космологии.

Одна работа вызвала у меня особый интерес. Я нашел ее на одном из сайтов с электронными научными публикациями, так называемыми e-prints. Появления e-prints позволяет ученому опубликовать свою работу в Интернете и сделать ее доступной для научной общественности вне зависимости от желания или нежелания научных журналов ее опубликовать. Этот способ публикации делает современную науку гораздо более демократичной и эффективной. Свою статью может отправить каждый, невзирая на ученые степени и занятость в том или ином университете. На некоторых сайтах требуется рекомендация одного из авторов, который уже опубликовал свои работы в данной области, однако от него не требуется подтверждать правильность или неправильность работы нового автора. Несмотря на то что публикации в серьезных научных журналах по-прежнему являются основным путем сообщить миру о своих работах, системы e-prints позволяют предоставить свою статью в считанные минуты в распоряжение всех ученых мира, а также широкой общественности, ибо, совершив поиск по определенной теме, посетитель подобного сайта неизбежно найдет эту публикацию и сможет ею воспользоваться, причем пользование сайтами обычно бесплатно, как для авторов, так и для читателей. Если учесть, что подписка на такой журнал, как «The Astrophysical Journal», стоит около двух тысяч долларов в год (в зависимости от страны проживания подписчика), то нетрудно оценить привлекательность e-prints сайтов, на которых статьи нередко публикуются еще до того, как они попадают в журнал, с пометкой, в какой из журналов они отправлены. Подобная система усилила науку в сотни, если не в тысячи раз, и, безусловно, будущее научных публикаций стоит именно за такой практикой.

Итак, найденная мной статья южноафриканского ученого George F. R. Ellis из University of Cape Town была опубликована под названием «Issues in the philosophy of cosmology» – «Вопросы философии космологии» и к моему вящему удивлению содержала не только все, что я хотел бы высказать по этому поводу, но еще и многое из того, что мне и в голову не приходило!

Итак, чем же столь замечательна эта статья? Она представляет собой наиболее полный обзор современной космологии, ее достижений и недостатков, ее возможностей и ограничений. Далее приводятся философские вопросы в виде тезисов, и к ним прилагается подробное обсуждение всех «за» и «против». Статья обрисовывает существующее в космологии положение и самое главное – автор делает выводы, которые совершенно сонаправлены c выводами, сделанными мной после посещения двух конференций и изучения материалов третьей.

Мое резко негативное отношение к космологии сгладилось, я обнаружил, что космология как наука вполне приемлема, и при выполнении определенных норм сможет остаться вполне достойной наукой. Я был неправ, планируя написать книгу «The End of Cosmology» – «Конец космологии». То, что я действительно хотел высказать, должно, скорее, называться «The End of Political Cosmology» – «Конец политической космологии», ибо то, что меня смущает и изложено в очерке «Какое нам дело до небесной мудрости?», скорее, относится к спекуляции космологическими концепциями в политико-религиозных целях.

В статье George F. R. Ellis вновь возникает образ муравья, пытающегося построить модель планеты Земля, обозревая окрестности с вершины холма посреди пустыни Сахара. Согласно теории такого муравья, Земля будет представлять собой пустыню, и у него не будет никакой возможности включить в свою систему ни моря, ни горы, ни леса, которых он обозревать не в состоянии.

Безусловно, существуют определенные границы познания, и космология должна эти границы признавать. Как бы ни совершенны были наши способы наблюдения, более того, даже если представить, что нам было бы дано абсолютное знание, мы все равно никогда не имели бы возможности совершенно убедиться в верности этого знания, а также доказать, что это знание действительно абсолютно, и за его пределами не находится какое-то дополнительное знание, нам не известное.

Выводы, к которым приходит George F. R. Ellis, заключаются в следующем: «Космология рассматривает вопросы физических основ нашего существования в рамках в своем роде уникальной, физически существующей Вселенной. Эти вопросы, если мы того пожелаем, могут быть расширены за вышеуказанные пределы, однако физическая теория будет не в состоянии их решить. В конце концов, существует целый ряд тайн, лежащих в основе нашего существования и природы нашей Вселенной, которые научные исследования в космологии могут помочь осветить, но не смогут решить.

Признавая достижения современной космологии, необходимо в полной мере принимать во внимание вышеуказанные ограничения и не присваивать научной космологии большие заслуги и цели, чем те, которых она в действительности может достигнуть или которые вообще вряд ли являются достижимыми. В противном случае космология потеряет свою научную легитимность».[41]41
  Ellis George F R. Issues in the Philosophy of Cosmology // Mathematics Department and Applied Mathematics. University of Cape Town, e-print. 2006. May 15.


[Закрыть]

Я позволю себе привести здесь и обсудить основные тезисы этой работы.

Вселенная не может быть объектом физических экспериментов. Мы не можем «перезапустить» Вселенную с теми же или измененными условиями и посмотреть, что будет происходить, если бы эти условия были другими. Таким образом, мы не можем проводить научные эксперименты с самой Вселенной.

Невозможно провести сравнения с другими вселенными, построенные на наблюдениях нашей Вселенной. Мы также не можем сравнить Вселенную с каким-либо другим, подобным ей, объектом. Также мы не в состоянии протестировать наши гипотезы об устройстве нашей Вселенной путем анализа статистических характеристик известного класса физически существующих вселенных, ибо факт существования других вселенных в настоящее время представляется недоказуемым.

Концепция всеобщих законов физики, которые верны только относительно одного объекта (нашей Вселенной), вызывает сомнения. Мы не можем научным путем установить законы Вселенной, которые могли бы относиться ко всему классу подобных объектов, поскольку мы не можем протестировать ни один из таких законов более чем на одном объекте (а именно на обозреваемой нами Вселенной).

Астрономические наблюдения привязаны к прошлому определенного района Вселенной, в направлении которого мы ведем наблюдения. Чем дальше заглядывает наш телескоп – тем слабее видны объекты и тем больше времени требуется свету, излучаемому ими, чтобы дойти до нас. Следовательно, мы не можем наблюдать, скажем, туманность Андромеды в ее настоящий момент. То, что мы видим, является картиной двух миллионов лет давности, ибо именно столько времени требуется свету, чтобы достичь наших глаз. Мы можем эффективно наблюдать Вселенную на космологической шкале только с точки зрения одного события, происходящего в данной точке пространства и времени. Даже если бы нам удалось продолжить наблюдения в течение десяти или даже ста тысяч лет – на космологической шкале это слишком короткий промежуток времени для того, чтобы ожидать каких-либо значительных изменений, способных пролить свет на закономерности эволюции Вселенной.

Так называемый геологический тип наблюдений позволяет изучать далекое прошлое объекта, находящегося радом с нами. Астрофизические же наблюдения предоставляют нам информацию о далеком прошлом только очень удаленных объектов.

Основа космологических наблюдений заключается в принципе, что информация, которая может быть получена в результате наблюдения вдоль определенного пространственно-временного конуса[42]42
  Ellis G. F. R., Nel S. D., Stoeger W., Maartens R. Whitman A. P. Ideal Observational Cosmology // Phys Reports. 1985. Vol. 124. P. 315-417.


[Закрыть], достаточна для обобщенных выводов и построения космологических моделей, в том числе и определения пространственно-временной геометрии Вселенной.

Действительно, на основе такой информации это теоретически возможно, если предположить, что такая информация могла бы быть получена без помех. Однако на практике избежание помех является трудной, можно сказать, невыполнимой задачей, поскольку расстояние до изучаемых объектов непросто определить с достаточной степенью точности, а также сложно установить природу этих объектов с достаточной степенью достоверности, и наконец, ввиду больших трудностей в получении подобной информации, из-за очевидного искажения изображений всех дальних объектов, а также неизвестности их относительных скоростей. Чем дальше в прошлое Вселенной направлены наши наблюдения, тем выше степень их неопределенности.

Какими же должны быть астрономические наблюдения? Когда они ведутся вне рамок какой-либо определенной космологической теории, как, например, картирование галактик, это может дать неожиданные результаты: обнаружение гигантских структур на супергалактическом уровне, группы галактик, образующие стены, а также «колодцы», практически полностью лишенные галактик. Однако подобный подход нечасто применяется в современной астрофизике и космологии – не только из-за вышеуказанных сложностей в ведении наблюдений, но и из-за низкой способности результатов давать значимые объяснения на космологическом уровне. Например, результаты картирования галактик говорят нам лишь о геометрии и распределении вещества в обозреваемом участке Вселенной, не разъясняя причины и природу наблюдаемого.

Интерпретация космологических наблюдений зависит от их астрофизического понимания. Космологический же анализ зависит от того, в каком направлении велся поиск, оставляя большое пространство для маневра и помогая выживать теориям, даже когда наблюдаемые данные не совсем совпадают с предсказанными. Более того, после каждой серии новых наблюдений в космологии допустимо немного подправлять теорию, что иной раз делает ее менее уязвимой для проверки новыми результатами, полученными в следующей серии наблюдений. То есть в космологии принято подглядывать в конец учебника, подсматривая правильные ответы. Конечно, когда наблюдения приходят в полное противоречие с теорией, тогда она отправляется на покой, хотя иногда ненадолго, ибо частенько старые теории реанимируются и вновь пускаются в оборот.

По крайней мере, стандартной космологической теории необходимо оставаться в пределах разумных тестов, а именно: например, Вселенная не должна быть моложе, чем самые старые звезды, находящиеся в ней. Такие казусы случались с космологической теорией в недалеком прошлом. Однако здесь на подмогу приходит аргумент: насколько мы можем полагаться на точность определения возраста звезд?

Несмотря на то что в понимании эволюции звезд астрофизики достигли наиболее впечатляющих успехов и теория синтеза элементов в результате термоядерного синтеза представляется весьма обоснованной, ошибка в определении возраста тех или иных звезд все же может быть значительной. Необходимость оставаться в пределах соответствия с основными наблюдениями является основным условием для того, чтобы космология считалась, хотя бы отчасти, наукой эмпирической.

Горизонт возможных астрономических наблюдений постулируется на основе утверждения стандартной космологической теории, что в силу расширения, а теперь и ускоряющегося расширения Вселенной, существуют объекты достаточно удаленные и продолжающие удаляться от нас со сверхсветовой скоростью (что, кстати, не противоречит запрету Эйнштейна на существование сверхсветовой скорости, ибо речь идет не о движении материальных объектов, а имеется в виду расширение самого пространства). Свет от этих объектов никогда не сможет достигнуть наблюдателя на Земле. Таким образом, мы не сможем увидеть настолько удаленное прошлое, которое могло бы разъяснить нам природу начальной эволюции Вселенной, и если мы не проживаем в «маленькой вселенной», то можно предположить, что наибольшая часть вещества в ней находится за горизонтом возможных наблюдений. А следовательно, геометрия Вселенной на больших шкалах не может быть протестирована.

Стандартная космологическая концепция предполагает, что мы совершили значительный прогресс в полноте наблюдений и можем наблюдать большую часть Вселенной, и потому способны делать квалифицированные выводы о ее строении, природе и эволюции. К сожалению, это не так. Во все времена космология страдала легкой формой мании величия, однако новые наблюдения все время отодвигали границы Вселенной все дальше и дальше. Более того, астрофизические наблюдения постоянно приносят сюрпризы, обнаруживая объекты, угрожающие одним своим существованием целостности стандартной космологической теории, как, например, обнаружение хорошо сформированной гигантской галактики в самых удаленных районах обозреваемой Вселенной, где для формирования подобной структуры в соответствии с вышеназванной теорией просто не хватало бы времени.

Существует и горизонт возможных физических наблюдений, ибо для того чтобы протестировать начальные условия развития Вселенной, необходимы энергии, недостижимые на ускорителях частиц на Земле. Нам приходится экстраполировать известную физику и применять ее выводы для условий с чрезвычайно высокой энергией, предполагая, что таким образом можно установить, что же в действительности происходит в этой области неизвестной физики сверхвысоких энергий.

Надежда на правильность подобных выводов, увы, невелика.

Невыясненность природы инфляции Вселенной говорит о том, что ее теория неполна. Обещание инфляционной теории установить связь между космологией и физикой элементарных частиц так и осталось невыполненным.

Начало Вселенной в одной точке бесконечной плотности, называемой «начальная сингулярность», в соответствии с теорией «Большого взрыва», представляется как вероятным, так и невероятным в одинаковой степени. Вселенная могла начаться в определенное время в прошлом, хотя существуют разнообразные альтернативы – вечная Вселенная, Вселенная, в которой время, как мы его понимаем, возникло тем или иным образом, антропологичность восприятия времени. Мы не знаем, что в действительности произошло, но идеи квантовой гравитации позволяют избежать сингулярности, в которой перестают существовать все известные нам законы физики.

Экспериментальная физика не может дать объяснения начального состояния Вселенной, а следовательно, и ее природы. Речь идет лишь о выборе из ряда возможностей возникновения и существования Вселенной, хотя фундаментальным вопросом является обоснование подобного выбора. Почему Вселенная приняла именно такую, а не иную форму, которую известные законы физики тоже вполне могли допустить? Причины выбора между разными возможностями не могут быть объяснены научным образом. Это вопрос философии и метафизики.

Физические законы могут зависеть от природы Вселенной. Существуют значительные трудности в установлении различий между всеобщими законами физики и частными «пограничными» условиями в их космологическом контексте, наблюдаемыми в том или ином месте в то или иное время. Действительные физические законы могут зависеть от таких пограничных условий и могут даже оказаться разными в различных пространственно-временных областях космоса, что, возможно, и противоречит основным конвенциональным космологическим принципам.

Мы не можем принимать природу известных законов физики как единственно возможную данность. Космология заинтересована в исследовании гипотетических вселенных, где законы физики отличаются от этих законов в нашей Вселенной, что, возможно, поможет понять, почему физические законы в реальной Вселенной именно таковы, каковыми они являются.

Критерии удовлетворительности той или иной теории не могут быть избраны научно. Однако критерии удовлетворительности необходимы для выбора хорошей космологической теории. Эти критерии должны быть установлены на основе философских соображений. Основным критерием удовлетворительности теории является ее способность объяснять общую космологическую картину в целом и в частности, а также выдерживать экспериментальную проверку и соответствовать астрономическим наблюдениям.

Физические мотивы соглашаться с теорией инфляции Вселенной основываются на ее способности объяснять наблюдаемую структуру Вселенной и ее рост. Именно разъясняющая сила делает эту теорию столь привлекательной для физиков, даже при том, что физика, лежащая в ее основе, в достаточной мере не определена и не проверена, а ее основные предсказания на большой шкале вообще непроверяемы.

Космологическая теория может охватывать широкий или узкий ракурс вопросов. Стандартная космологическая теория пытается дать ответы на вопросы, имеющие философскую основу, и тем самым столь привлекательна для широких кругов общественности и ученых.

Однако полностью реальность не отражается ни в наблюдениях, ни в теоретических моделях. Проблема в том, что нередко наблюдения и теоретические модели приобретают статус реальности. И теории, и наблюдения необходимы нам как рабочие инструменты, и они помогают изучать окружающий мир, однако в той же степени вводят нас в заблуждение относительно реальности. Они не должны возводиться в статус реальности!

Физическая новизна возникает внутри расширяющейся Вселенной по мере ее эволюции. Появляются новые виды физического существования, которых не было прежде. Их существование допускается пограничными условиями для локальных систем. При том, что их физическое существование ново, они предзнаменуются структурами, предшествующими их появлению.

Жизнь можно рассматривать как одно из проявлений такой физической новизны в эволюционирующей Вселенной. Жизнь, в известной нам форме, возможна потому, что и физические законы, и пограничные условия для нашей Вселенной имеют очень специфическую природу. Только определенные законы и определенные начальные условия во Вселенной позволяют существование разумной жизни, опять же отметим, в известной нам форме. Эволюционный процесс подобной формы жизни был бы невозможен, если бы эти законы и условия не были бы именно в этой, а не в какой-либо другой форме.

«Слабый антропологический принцип» (The Weak Anthropic Principle) основывается на утверждении, что нет ничего удивительного в том, что обозреваемая Вселенная позволяет существование жизни, иначе ее некому было бы обозревать.

«Сильный антропологический принцип» (The Strong Anthropic Principle)[43]43
  Barrow J., Tipler F. The Cosmological Anthropic Principle. Oxford, 1984.


[Закрыть] утверждает, что разумная жизнь обязательно должна существовать во Вселенной, ибо присутствие жизни необходимо для того, чтобы Вселенная имела смысл.

Для достижения прогресса в понимании антропологических принципов мы должны ответить на вопрос: какова основная причина наблюдаемого нами феномена жизни? Рассматривая цепь физических причин и следствий, мы все равно остаемся с нерешенным вопросом: почему эта цепь именно такая, а не другая, и почему она привела именно к такому феномену, как жизнь? Какой бы ответ мы ни предложили, необходимо признать, что он не будет иметь физической основы. В поисках подобных ответов мы вступаем в зону метафизики. Можно просто игнорировать эти вопросы, как это делает большинство серьезных ученых. Если же мы продолжим в этом направлении, то представляется возможным выделить шесть основных подходов к решению вопроса, почему наша Вселенная именно такая, какая она есть, и идеально подходит для возникновения и поддержания разумной жизни. Эти подходы включают в себя: случайный шанс, необходимость, высокую вероятность, универсальность, космологический естественный отбор и преднамеренный дизайн.

Первый подход, основывающийся на рандомальном, то есть случайном шансе, в общем-то, ничего не проясняет, утверждая, что возникновение тех или иных начальных условий развития Вселенной произошло случайно. Вероятность этого не может быть рассчитана. Нужно сказать, что такой вариант логичен и возможен, однако неудовлетворителен, поскольку не обладает предсказательной силой и не позволяет унифицировать идеи развития Вселенной и разумной жизни, что, в свою очередь, не устраняет возможность верности такого варианта.

Второй подход основывается на принципе необходимости – то есть вещи должны быть такими, какими они нам представляются. Любые иные опции иллюзорны. В соответствии с этим подходом только единственная совокупность законов физики самодостаточна, и все логически возможные вселенные должны подчиняться одним и тем же физическим принципам. Если бы было возможно доказать верность такого подхода, наука приобрела бы самодостаточную и завершенную основу. Но мы все же можем вообразить альтернативные вселенные! Почему же они должны быть исключены? Более того, мы сталкиваемся в этом подходе с проблемой, что мы так и не достигли пока самодостаточного базиса физики – ни основы квантовой физики, ни основные математические понятия не покоятся на вполне стойком фундаменте. До тех пор пока эти проблемы не будут решены, нет особого смысла настаивать на подходе, предполагающем необходимость существования единственного комплекса физических законов, которые нам до сих пор не вполне ясны.

Третий подход основывается на высокой вероятности. Несмотря на то что структуры Вселенной кажутся весьма маловероятными на интуитивном уровне, с физической точки зрения они вполне и даже высоковероятны. Подобный аргумент имеет лишь частичный успех, ибо он сталкивается с проблемой того, что научным образом невозможно вычислить эту вероятность.

Четвертый подход основывается на универсальности. То есть всё, что возможно, случается. То есть существуют все возможные вселенные, и наша является одной из них. Этот подход удовлетворяет антропологический принцип, как в его сильной, так и в его слабой форме.

Пятый подход предполагает существование космологического естественного отбора, в результате которого именно наша Вселенная является наиболее устойчивой и способной поддерживать жизнь.

И наконец, шестой подход предполагает наличие преднамеренного дизайна Вселенной, ибо тонкая сбалансированность физических законов, позволяющих существование атомов, образование тяжелых элементов и т. д., может заставить предположить, что кто-то их спланировал и создал. Именно этот подход вполне удовлетворяет теологию. В отличие от всех других подходов он привносит элемент значимости и особого смысла, который отсутствует во всех других вариантах. Увы, этот подход не представляется возможным научно доказать. Именно поэтому ученые стараются избегать рассмотрения этого подхода. Однако это не делает его менее вероятным или менее логичным, чем другие варианты. Впрочем, с точки зрения физики, изучающей физические законы, это не имеет значения, ибо не меняет ни методов исследования, ни способов анализа результатов.

Кроме того, переложив всё на некоего создателя, это лишь отодвинет задачу, ибо сразу поставит вопрос о создателе создателя, и так до бесконечности. Приняв же версию самосоздающегося создателя, мы вернемся к необходимости выбирать между одним из пяти оставшихся подходов, дабы объяснить, как это «самосоздание» произошло.

Так или иначе, физические размеры обозреваемой нами Вселенной огромны. Получаемые нами изображения дальних объектов чрезвычайно размыты, а между тем они являются практически единственными источниками информации, и это замечательно, что нам все же удается понимать Вселенную настолько, насколько мы ее понимаем. Однако пока космология не решила таких основных насущных вопросов, как природа «темного вещества», составляющего большую часть материи во Вселенной, а также природа «темной энергии», составляющей, опять же, наибольшую часть энергии обозреваемого мироздания, и другие нерешенные вопросы – современные космологические теории будут продолжать вызвать определенный скептицизм.

Мы не знаем, существует ли в действительности основной закон космологии, однако мы можем с уверенностью заявить, что, следуя выражению McCrea, существует «принцип неопределенности в космологии» («Uncertainty principle in cosmology»)[44]44
  McCrea W. A philosophy for big bang cosmology// Nature. 1970. Vol. 228. P. 21.


[Закрыть]. Таким образом, космос обрамляют два принципа неопределенности: один на маленькой шкале квантовой механики[45]45
  Isham C. J. Lectures on Quantum Theory: Mathematical and Structural Foundations. London; Singapore, 1997.


[Закрыть], другой на большой шкале космологии. Научные исследования могут рассказать нам многое о Вселенной, но не о ее природе и даже не о ее основных геометрических и физических характеристиках. Отчасти, возможно, эта неопределенность может быть разрешена, но наибольшая ее часть останется неразрешенной. Космологическая наука должна признать эту, заложенную в самой сути предмета изучения нашей Вселенной, неопределенность.