Читать интересную книгу Рассказывают ученые - неизвестен Автор

института имени П. К. Штернберга

кандидат физико-математических наук

А. Л. Зельманов

Поскольку реальная Вселенная существует в единственном числе, то, очевидно, возможна лишь единственная верная теоретическая модель Вселенной. Какую же реальность отражают существующие в настоящее время многочисленные космологические модели?

Возможно, что свойства различных моделей, основанных на общей теории относительности, служат приблизительным отображением свойств различных областей Вселенной, ее "кусков" (включая и ту ее область, которая охвачена наблюдениями), отображением, формально распространенным на всю Вселенную. Но то, что современная теория допускает такое распространение каждой из этих моделей на всю Вселенную и таким образом дает множество моделей Вселенной как целого, представляется принципиальным недостатком теории. Следует добавить, что этот ее недостаток не может быть устранен в рамках существующих основных физических теорий. Под основными физическими теориями мы понимаем теории, содержанием которых являются принципы и законы физики и физические представления о свойствах пространства, времени и движения. Таковы: ньютонова механика; ньютонова теория тяготения; специальная теория относительности; общая теория относительности; квантовая механика; релятивистская квантовая теория. Из них для интересующего нас вопроса и вообще для космологии наибольшее значение имеет общая теория относительности, то есть эйнштейнова теория тяготения.

Мыслимы, как мне кажется, два варианта: или модель Вселенной как целого вообще невозможна, или такая модель возможна, но тогда она должна быть единственной, как единственна сама Вселенная.

Существующие же в настоящее время основные физические теории дают множество моделей. Это принципиальное затруднение в конечном счете является, вероятно, следствием того, что ни одна из упомянутых теорий, включая общую теорию относительности, лежащую в основе современной космологии, не представляет собой наиболее общей физической теории. Такая теория - будем считать, что она возможна, и назовем ее условной единой физической теорией - еще не построена. Возможно, этой теорией станет еще не найденный синтез общей теории относительности и релятивистской квантовой теории.

Для читателей, знакомых с дифференциальными уравнениями, скажем, что под упомянутым синтезом обычно понимают такую бо-лее общую теорию, основные дифференциальные уравнения которой являются более общими, чем основные дифференциальные уравнения теорий, синтезом которых она является ("частных" теорий), так что основные дифференциальные уравнения этих "частных" теорий могут быть получены из дифференциальных уравнений более общей теории. Однако не исключено, что ожидаемая единая физическая теория вообще не будет содержать наиболее общих дифференциальных уравнений, но сформулирует наиболее общие принципы, которые позволят составлять дифференциальные уравнения для любых допускаемых ею "частных" теорий и частных случаев.

С этой логической возможностью связаны, в частности, надежды на то, что единая физическая теория сможет дать единственную модель Вселенной: множественность моделей в современной космологии является непосредственным следствием того, что основные уравнения существующих физических теорий дифференциальные. А такие уравнения имеют множество решений, зависящих от так называемых начальных и других условий.

Если с развитием науки оказывается, что какая-то из основных физических теорий может быть выведена из более общей, значит ли это, что она не обладает своей спецификой? 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 дифференциальные уравнения. И дело не просто в том, что уравнения общей теории количественно точнее. Между ними есть существенные качественные отличия. Если взять совокупности всех физических величин, входящих 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. Чрезвычайно существенно, что появление новых величин в 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. Таким образом, при переходе от частной теории к общей происходит ломка понятий. 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.

Значит, вы считаете, что в современной физике и астрофизике "безумные" теории, то есть резко противоречащие принятым взглядам,.имеют право на существование?

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.

Что же может послужить критерием этой уверенности?

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. Так или иначе создается положение, когда невозможно уложить в одну теоретическую схему все факты, и прежние 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, и необходимость новых, "безумных" идей может быть осознана и после того, как они будут высказаны и приведут к созданию новой основной физической теории. В современной физике необходимость "безумных" идей (для построения единой физической теории), по-видимому, не вызывает серьезных сомнений.

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 физи-ке очевидна?

Поскольку основным источником эмпирических сведений в астрофизике служат наблюдения, а не эксперимент, 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.

Как вы в таком случае относитесь к идее "все более странного мира", открываемого в процессе развития естествознания?

В сущности, появление ньютоновой механики, а затем и ньютоновой теории тяготения; создание специальной теории относительности, а затем и общей теории относительности (то есть эйнштейновой теории тяготения); построение квантовой механики, а затем и релятивистской квантовой теории - все это были революции, открытия "все более странного мира", требовавшие все новых "безумных" идей. Вероятно, то же можно будет сказать и об ожидаемом создании единой физической теории.

Разумеется, всякий раз, когда очередные "безумные" идеи органически входят в науку, они перестают казаться безумными (как это давно произошло с идеями ньютонианской физики). 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.