Глава 1. ВЕЛИКИЕ ПРИНЦИПЫ НАУКИ.

Известный физик-теоретик Е. Вигнер в одной из своих работ заметил, что в современной физике можно выделить три уровня понимания явлений природы: первый – информация о различных явлениях, второй – законы природы, определяющие связи между явлениями; и третий – так называемые симметрии, устанавливающие связи между законами.

Однако к этому следует добавить, что в физической науке существуют еще и так называемые принципы, занимающие совершенно особое место и охватывающие широкий круг разнородных явлений. Порой такие принципы вытекают из анализа реальных фактов и явлений, обобщения общепризнанных фундаментальных физических теорий, порой они формулируются на основе общечеловеческого опыта и здравого смысла. Иногда они определяют направление исследований в той или иной области, становятся идейной основой фундаментальных научных теорий, иногда носят характер «запретов». Но в любом случае они играют важнейшую роль в процессе научного познания окружающего мира, в развитии естествознания. В то же время, воспринятые как некие «абсолютные истины», они могут превращаться в своеобразные тормоза, препятствующие дальнейшему развитию науки. Опыт истории естествознания показывает, что от некоторых принципов с течением времени приходилось отказываться, другие, в свое время возникнув, продолжают существовать и по сей день.

С некоторыми из них мы подробно познакомили читателей в первых двух частях этой книги. И о них мы лишь кратко упомянем в данной главе, обратив внимание на некоторые важные аспекты, которых мы до этого не касались или почти не касались.

От детерминизма к вероятности.

Как мы уже говорили, в фундаменте классической физики, основанной Галилеем и Ньютоном и их последователями, лежал объединяющий принцип «механического детерминизма». Речь идет о связи причин и следствий, о том, что одинаковые явления всегда порождают абсолютно одинаковые следствия. Из этого следовало, что зная «начальные условия», можно с точностью вычислить развитие дальнейших событий сколь угодно далеко в будущее.

Однако претензии классической механики на абсолютно точное и исчерпывающее описание всех без исключения событий и явлений на основе чисто механических закономерностей потерпели крушение. Оказалось, что природа устроена гораздо сложнее. Это особенно отчетливо проявилось при изучении явлений микромира.

В рамках классической механики, в тех случаях, когда изучается движение какого-либо тела, например, кометы или артиллерийского снаряда, выпущенного из артиллерийского орудия, мы в принципе можем с какой угодно точностью одновременно измерить скорость его движения и положение в пространстве. Но если речь идет о движении микрочастицы, то вступает в действие так называемый принцип неопределенности, впервые сформулированный выдающимся немецким физиком Вернером Гейзенбергом и пришедший на смену принципу механического детерминизма. Если мы станем одновременно измерять скорость движения интересующего нас микрообъекта и его координаты, то чем точнее мы определим скорость, тем неопределеннее окажется его положение в пространстве. И наоборот. Это означает, что в микромире законы классической механики принципиально неприменимы, и мы не в состоянии точно вычислить траекторию микрочастицы. И не потому, что не умеем это сделать, а потому, что такой траектории не существует. Получается, что одна и та же частица может в одно и то же время находиться… и «там», и «здесь». Не частица, а своеобразное облако.

Это, в частности, связано с тем, что всякое измерение изменяет состояние микрообъекта. Иными словами, человек-наблюдатель оказывается активным участником познавательного процесса. Мы можем только вычислить вероятностное поведение ансамбля микрообъектов.

Научные данные свидетельствуют о том, что не только микрообъекты, но и Вселенная обладает квантовыми свойствами, и акции, связанные с ее изучением, неизбежно изменяют ее состояние. В связи с этим некоторые философы стали говорить о «субъект-объектном» взаимодействии. Речь идет о том, что открываемые наукой законы не являются зеркальной копией законов природы – они содержат «человеческую составляющую».

«Да» или «нет»?

На рубеже XIX и XX столетий, когда своего наивысшего расцвета достигла «классическая наука», в основе которой лежали механические представления о природе, ученые непоколебимо верили в то, что все события и явления можно разложить на чисто механические составляющие и все происходящее и предстоящее абсолютно точно рассчитать и предусмотреть.

Задавая свои вопросы природе, ученые классической эпохи отчетливо представляли себе, чего хотят добиться. А хотели они на свои вопросы получить однозначные окончательные ответы типа «да» или «нет». Основу естествознания составляла так называемая формальная логика, одним из главных принципов которой является «закон исключенного третьего» – либо «да», либо «нет», третьего быть не может, третье «от лукавого».

Такое положение вещей выглядело вполне естественным и с точки зрения повседневного здравого смысла. Ведь и в обыденной жизни мы, как правило, стремимся к определенности, к однозначности. Уж лучше твердое «нет», чем раздражающая неясность, расплывчатая неопределенность. А еще хуже, когда ситуация то и дело меняется: сегодня «да», завтра «нет», а послезавтра снова «да». Хочется раз и навсегда все «разложить по полочкам», все предусмотреть наперед. Впрочем, на практике жизнь оказывается значительно сложнее.

Классическая же физика на протяжении весьма длительного времени была лишена на этот счет и тени сомнения. Однозначность казалась в рамках этой науки незыблемой и нерушимой. Тем более что она была заложена уже в основных ее понятиях.

К концу XIX столетия механическая картина мира представлялась практически завершенной. И любые трудности, которые могли встретиться на ее дальнейшем пути, выглядели в глазах ее последователей чисто техническими, вычислительными, а потому принципиально преодолимыми. Однако новая «неклассическая» физика, пришедшая на смену физике XIX века, открыла нам мир с совершенно иной, неожиданной стороны.

С принципом неопределенности, о котором говорилось выше, связана и еще одна «неоднозначность», обнаруженная новой физикой в результате ее проникновения в глубины микромира. Речь идет о так называемом квантово-волновом дуализме. С точки зрения классической физики, частица – это всегда частица, а волна – всегда волна. Квантовая же физика пришла к заключению, что одно и то же «образование» в одних условиях может проявлять себя как частица, а в других – как волна.

А вот и еще один «сюрприз», преподнесенный теорией относительности. До ее появления считалось, что масса того или иного тела, если к нему ничего не прибавлять и от него ничего не отнимать, есть величина постоянная. Но оказалось, что в действительности это не так. Чем выше скорость тела, тем больше его масса. И поэтому масса, скажем, протона – ядра атома водорода, при достаточно большой скорости в принципе может превзойти массу Земли, массу Солнца и даже массу нашей звездной системы Галактики.

Более того, выяснилось, что «не абсолютна» не только масса, но и длина отрезков. Чем ближе скорость движения наблюдателя к скорости света, тем короче становятся отрезки, мимо которых он проносится.

В физике существует закон, который называется «принципом наименьшего действия». Суть его в том, что из различных возможных вариантов движения механической системы осуществляется тот, для которого так называемое действие, то есть произведение величины энергии на время, минимально.

Другой аналогичный принцип – «принцип Ферма», относится к процессу распространения света и состоит в том, что световой луч, проходя через различные среды, распространяется таким образом, чтобы время его прохождения было минимальным.

О «рациональном поведении» неживых систем.

Как известно, любое человеческое действие предполагает наличие определенной цели. Однако целесообразное поведение присуще только живым системам, и лишь существа, наделенные разумом, способны ставить перед собой сознательные цели и сознательно добиваться их осуществления.

Может ли в таком ключе действовать неодушевленная природа? Ведь даже саморегулирующийся природный объект, например звезда, всего лишь существует и функционирует – и не более того!

И все же, что-то похожее, напоминающее, пусть и отдаленно, целесообразное поведение, наблюдается и в неживой природе. Весьма любопытны и так называемые компенсационные или вариационные принципы. Например, закон Ленца, относящийся к явлениям магнитной индукции. Всякое изменение магнитного поля вызывает возникновение тока индукции, магнитное поле которого препятствует тем изменениям, которые вызвали этот ток. Еще более общее значение имеет принцип «Ле Шателье – Брауна». Он состоит в том, что внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Разумеется, подобное «рациональное поведение» неживых систем не имеет ничего общего с рациональным поведением человека. У него совершенно иная природа. Человек стремится определить оптимальную линию своего поведения, сделать свой выбор, исходя из тщательного анализа обстановки и сознательного прогноза последствий, к которым могут привести те или иные его действия. У природы такой способности, конечно, нет. Как справедливо заметил Ричард Фейнман по поводу «принципа Ферма», свет не может заранее знать всю свою траекторию, то есть особенности тех сред, которые ему предстоит преодолеть. Он в каждый данный момент «знает» лишь то, что ему положено «знать» – именно в данное конкретное мгновение. Иными словами, поведение неживых систем полностью определяется «мгновенной ситуацией», неодушевленная материя не обладает свойством «предвидения». Мертвая материя способна оперировать только настоящим.

Но почему все-таки выполняются вариационные принципы? Какими глубинными свойствами материи они обеспечиваются? Понять это – значит не только понять очень многое, но и получить возможность активно, целенаправленно вмешиваться в природные процессы, не рискуя получить нечто прямо противоположное тому, чего мы добиваемся.

Многого мы еще не знаем…Но, по-видимому, между миром живого и неживого нет непроходимой границы. Конечно, жизнь – это особая, специфическая форма существования материи, качественно отличающаяся от неживой природы, в частности, наличием «управляющих органов», способных воспринимать и перерабатывать информацию, поступающую по бесчисленным каналам обратных связей, и принимать необходимые решения. У звезд, например, таких органов нет. И тем не менее непреодолимой пропасти между живым и неживым не существует. Об этом говорит хотя бы тот факт, что возникает живое именно из неживого.

Но если в природе существуют отдельные законы, компенсирующие действие некоторых других законов, то почему не допустить, что эти законы сами являются частным случаем закона более общего или даже всеобщего?

Закона, согласно которому для каждого фундаментального закона природы должен существовать своеобразный «антизакон», компенсирующий действие первого, или такие условия, в которых он теряет свою силу.

Кое-что в этом роде нам уже известно. Мы знаем, например, что в условиях невесомости перестает действовать закон Архимеда, а при скоростях, близких к скорости света, – за коны классической механики, а при сверхнизких температурах – закон Ома.

Возможно, стоит задуматься над обобщением всех этих фактов. И не есть ли это тот путь, который может привести к познанию общих законов эволюции материи?

«Логическая машина».

Один остроумный человек, имея в виду необычайную удаленность космических объектов и связанную с этим чрезвычайную сложность проверки справедливости различных астрономических представлений, гипотез и теорий, как-то сказал, явно претендуя на то, чтобы стать автором очередной «крылатой фразы»: «Астрономы, по сути дела, никогда не знают, о чем они говорят, и верно ли то, о чем они говорят…».

А другой «мудрец», развивая эту мысль, заметил, что путем чисто формально-логических умозаключений можно в принципе получить какие угодно результаты, устраивающие тех, кто формальной логикой достаточно умело пользуется.

Что верно – то верно: логическая машина обладает завидной способностью прорабатывать любую заложенную в нее информацию, независимо от того, чему именно она соответствует в реальной действительности. Вероятно, это обстоятельство в какой-то мере побуждает ученых заниматься разработкой даже самых экстравагантных предположений. И нередко подобные усилия оправдываются, приводят к открытию новых явлений, новых закономерностей окружающего мира. Даже в тех случаях, когда полученный результат не подтверждается, он все равно приносит немалую пользу, способствуя выяснению того, «как в природе не бывает», и тем самым отсекая бесперспективные пути исследования, сужая круг возможных объяснений.

Таким образом, было бы неправильно утверждать, что физики и астрономы «не знают, о чем они говорят». Ведь исходные предположения строятся либо на фундаменте существующих теорий, либо на почве тех или иных конкретных фактов. А полученные выводы с помощью наблюдений и экспериментов сопоставляются с реальностью.

Так что попытки применения разнообразных теоретических подходов к тому или иному еще недостаточно изученному явлению отнюдь не бесполезны. Особенно в тех случаях.

Когда ни одни из имеющихся теоретических вариантов объяснения рассматриваемых явлений нельзя признать достаточно убедительным. Именно с такого рода ситуациями достаточно часто сталкиваются современные астрономы и астрофизики.

Как известно, астрономия – наука дистанционная. Изучаются не сами космические объекты непосредственно, а их излучения. Свойства этих излучений зависят от свойств их источников – природа как бы вкладывает в эти излучения информацию о тех физических процессах, которые их порождают. Однако связь между тем, что регистрирует прибор, установленный на поверхности Земли или на борту искусственного спутника, и космическим явлением – далеко не прямая. Показания прибора необходимо истолковать, интерпретировать. А сделать это можно лишь в рамках определенных теоретических представлений, но они далеко не всегда являются однозначными. Особенно в тех случаях, когда речь идет о новой области исследований. Отсюда могут возникать различные неопределенности. Это, разумеется, не значит, что астрономические методы исследований вообще недостоверны – имеются в виду лишь те специфические затруднения, которые нередко возникают в астрономии на пути к желаемому.

Вспомним хотя бы нашумевшую историю, которая произошла в 1967 году. Тогда английские радиоастрономы зарегистрировали космические радиосигналы, следовавшие один за другим через равные промежутки времени. Объяснение напрашивалось само собой – обнаружен радиопередатчик неведомой внеземной цивилизации…

Английские ученые были настолько ошеломлены этим поразительным открытием, что на протяжении длительного времени хранили его в строжайшей тайне. И даже окрестили своих предполагаемых далеких корреспондентов «зелеными человечками».

Сегодня природа загадочных радиоимпульсов уже ни для кого не составляет секрета: их порождают пульсары – быстро вращающиеся нейтронные звезды. Физические объекты, не имеющие никакого отношения к деятельности гипотетических внеземных цивилизаций.

На чем было основано первоначальное ошибочное заключение английских радиоастрономов? На предположении, что в отличие от обычных радиоволн космического происхождения, представляющих собой хаотический радиошум, искусственные сигналы должны быть определенным образом организованы, в них должна присутствовать правильная переменная составляющая. Неудивительно поэтому, что строго периодические радиоимпульсы неизвестной космической радиостанции могли ввести ученых в заблуждение.

Таким образом, оказалось, что во Вселенной возможны физические процессы, порождающие правильно организованное радиоизлучение и тем самым как бы «маскирующиеся» под искусственные радиопередачи.

Закон и случай.

Одна из характерных особенностей XX столетия – невиданные прежде темпы развития общества. Правда, и в прошлом в истории человечества были периоды очень быстрого развития, например, период создания древнегреческой культуры или эпоха Возрождения. Однако они охватывали лишь отдельные регионы. Сейчас же этот процесс фактически охватил весь мир.

В XX веке достигли качественно нового уровня масштабы человеческой деятельности, ее объектом стала не только вся наша планета, но и околоземное космическое пространство.

Необычайно высокие темпы развития – чрезвычайно важный фактор современной культуры, который касается буквально каждого человека, поскольку с ним связана очень быстрая смена ситуаций. С огромным ускорением развивается и наука, происходят изменения научной картины мира, влекущие за собой новое мироощущение. Колоссальные успехи физики и астрономии привели к осмыслению эволюционной картины мира, более того, его взрывного развития. Была создана теория горячей расширяющейся Вселенной, ее инфляционного начала, открыты мощные нестационарные явления в космосе.

Современные физика и астрофизика изучили многие фундаментальные закономерности, определявшие течение и последовательность событий в процессе эволюции материи во Вселенной, протянули цепь причин и следствий от нашей эпохи вплоть до самых первых мгновений расширения.

В то же время одним из величавших достижений физики XX века было установление того факта, что в окружающем нас мире наряду с «железными» закономерностями, есть место и случайным событиям. Однако в современной научной картине мира подобным событиям отводится явно недостаточная роль.

Между тем складывается впечатление, что объяснить все существующее и происходящее с помощью одних только закономерностей заведомо невозможно. Ведь характер развития многих физических процессов зависит от начальных условий, а они могут складываться случайным образом.

Недостаточно изучен и вопрос о том, в какой мере случайные факторы играли роль в развитии земной биосферы. Вопрос этот представляет особый интерес, поскольку биосфера реально существует, она реализовалась, несмотря на то, что в особенности на первых этапах развития ее разрушение было крайне вероятным. Ее могли уничтожить вулканические зимы, космические катастрофы, многие другие явления.

Аналогична ситуация и в отношении истории человеческого общества. И здесь роль случайных факторов изучена еще недостаточно.