I. Проблема «сотворения мира» и термодинамика

Если вопрос о множественности обитаемых миров в научном изучении вселенной находит свое законное место, то так называемая «проблема сотворений мира» может показаться гораздо более необычной. Однако мы обязаны встретить эту проблему лицом к лицу, называя ее собственным именем. Ведь многие ученые, введенные в заблуждение математическим формализмом, о чем мы говорили в гл. V, и все еще находящиеся под влиянием ' преобладающей сейчас идеологии буржуазии, из среды которой они вышли, более не колеблются говорить о «научной» необходимости творения. Некоторые мистические соображения Джинса по поводу жизни во вселенной покажутся нам даже слишком осторожными по сравнению с том, что сам Джинс, Эддингтон или, например, Леметр, пишут о «происхождении мира».

Несомненно, среди астрономов находились креационисты во все времена, но они стали весьма сдержанными после большого подъема материализма, сопровождавшего триумф промышленной буржуазии в конце XVIII и в XIX вв. Например, Фай, крупный космогонист времен Второй империи и первых лет Третьей республики, ограничивался общими и очень туманными соображениями, пытаясь опереться на авторитет Декарта. Он писал:

«Как бы ни говорили, что вселенная есть бесконечная серия превращений, что все, что мы видим, логически обусловлено прежним состоянием как в прошлом, так и в будущем, мы не видим, как первоначальное состояние могло придти к гигантскому скоплению материи, к хаосу, откуда, несомненно, берет начало настоящее состояние. Следовательно, нужно начать с гипотезы и попросить у бога, как это сделал Декарт, рассеянную материю и силы, ею управляющие».

Подобные утверждения всегда имели, независимо от намерений их авторов, характер самых обычных вымыслов, лежащих вне какой-либо науки. Их религиозное происхождение было настолько очевидным, что ими никого нельзя было обмануть.

В настоящее же время, напротив, идеалисты, используя некоторые темные пункты, еще не до конца выясненные современной наукой, пытаются утверждать, что сама наука неизбежно заставляет предположить сотворение мира в определенный момент прошлого. Короче говоря, они пытаются доказать следующие два положения:

1) вселенная все время эволюционирует в одном направлении, и некоторые ее существенные характеристики никогда не смогут снова приобрести уже достигнутых значений. Она в целом стареет, как и человек, и это влечет за собой невозможность ее вечного существования;

2) для разрешения противоречий, к которым мы таким образом приходим, необходимо предположить вмешательство чего-то иррационального, т. е. божественное творение.

Очевидно, что присоединиться к последнему заключению означает полностью отбросить научную точку зрения. В самом деле, становясь на подобную точку зрения, мы в качестве исходной точки последующих реальных событий привлекаем нечто нереальное, иррациональное, т. е. к объяснению происходящих явлений мы привлекаем то, что является принципиально необъяснимым. Однако интересно проследить за «научными» рассуждениями, которые претендуют на оправдание подобного заключения, и рассмотреть несколько ближе противоречия, которые затрудняют ученых и которые способствуют попыткам реакционеров вводить в науку свой религиозный или мистический товар. Мы начнем с рассмотрения одного закона физики, чаще всего используемого с этой целью, а именно, второго закона термодинамики.

Два принципа термодинамики

Термодинамика есть отрасль физики, изучающая связь между тепловыми и механическими явлениями или попросту говоря, между теплотой и работой. Она основывается по существу на двух принципах, являющихся обобщением огромного экспериментального материала.

Первый принцип (количественный): общая энергия изолированной системы (т. е. системы, не имеющей обмена с внешним миром) остается всегда постоянной. Это — принцип сохранения энергии, сформулированный впервые русским ученым М. В. Ломоносовым. Если энергия в какой-либо форме рассеивается, то она возмещается равным количеством энергии в другой форме. Натянутая тетива лука теряет свою потенциальную энергию в момент, когда она спускается и выбрасывает стрелу, но эта энергия переходит в форму энергии движения, в кинетическую энергию стрелы. Одной из форм энергии следует считать теплоту, и можно уточнить принцип сохранения энергии, установив, что всякая механическая работа, всякая электрическая, магнитная или химическая энергия может целиком преобразоваться в теплоту в определенном отношении (в этой форме мы имеем принцип эквивалентности).

Открытие принципа сохранения энергии сыграло огромную роль в развитии науки. Энгельс его отметил как одно из трех величайших открытий своей эпохи:

«Первым из них было доказательство превращения энергии, вытекавшее из открытия механического эквивалента теплоты (Робертом Майером, Джоулем и Кольдингом). Теперь было доказано, что все бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил — механическая сила, теплота, излучение (свет и лучистая теплота), электричество, магнетизм, химическая сила соединения и разложения, — являются особыми формами, способами существования одной и той же энергии, т. е. движения. Мы не только можем показать происходящие постоянно в природе превращения энергии из одной формы в другую, но даже можем осуществлять их в лаборатории и в промышленности и притом так, что данному количеству энергии в одной форме всегда соответствует определенное количество энергии в какой-либо другой форме. Так, мы можем выразить единицу теплоты в килограмметрах, а единицы или любые количества электрической или химической энергии — снова в единицах теплоты, и наоборот; мы можем точно так же измерить количество энергии, полученной и потребленной каким-нибудь живым организмом, и выразить его в любой единице — например в единицах теплоты. Единство всего движения в природе теперь уже не просто философское утверждение, а естественно-научный факт».

Второй принцип (качественный): в то время, как количество энергии сохраняется, она изменяется качественно. В частности, теплота должно рассматриваться как низшая или деградированная форма энергии; она не может целиком превращаться в механическую работу. Вследствие этого паровая машина (т. е. тепловая машина, превращающая часть тепла в работу) не может никогда иметь коэффициент полезного действия 100 % — даже при условии, что всякое трение полностью отсутствует. Действительно, часть тепловой энергии переходит обязательно от источника тепла (паровой котел) к холодной машине (конденсатору), температура которого вследствие этого поднимается. Именно путем исследований работы паровых машин Карно пришел ко второму принципу термодинамики, именующемуся также по этой причине принципом Карно.

Первый принцип лежит в основе всей современной науки; никакая из самых последних теорий его не поколебала и не может поколебать и его продолжают всюду применять. Превращение вещества (корпускулярной формы материи) в излучение (волновую форму материи) лишь подтверждает незыблемость этого принципа.

Второй принцип всегда приводил к правильным результатам, когда его применяли к земным явлениям, хотя Земля не является полностью изолированной системой. Трудности начали возникать тогда, когда его захотели распространить на всю вселенную. Этой попыткой обобщения второго принципа мы обязаны главным образом Клаузиусу (1865) и лорду Кельвину; она и привела, в частности, к теории «тепловой смерти» вселенной.

«Тепловая смерть» вселенной

Рассмотрим совокупность объектов, имеющих различную температуру, и механизмов, пущенных вначале в ход, но на последующее движение которых не влияет никакая внешняя сила (например, система, приводимая в ход предварительно натянутыми пружинами). Пусть все это помещено в некоторый гигантский термос, так что полностью исключен всякий обмен тепла или вообще энергии между данными объектами и внешним миром. Подобная совокупность объектов является тем, что называют материальной замкнутой системой или, если использовать выражение, употреблявшееся уже выше, изолированной системой. К такой системе возможно применить законы термодинамики. Все различные формы энергии стремятся превратиться в тепло, хотя бы вследствие трения. Созданное таким образом тепло не может, однако, целиком превратиться в высшие формы энергии, так что тепловая энергия заменит в конце концов все другие формы энергии. С другой стороны, согласно принципу Карно теплые источники передают энергию к холодным источникам. Температуры постепенно выравниваются. Таким образом, можно придти к следующему заключению: в изолированной системе температура всех объектов становится в конце концов одинаковой. Полная энергия системы не меняется, но она целиком превращается в теплоту.

Таков вывод, который Клаузиус и лорд Кельвин не побоялись применить ко всей вселенной в целом. В соответствии с ним эволюция мира должна идти лишь в одном единственном направлении и имеется лишь один возможный конец — «тепловая смерть».

«Как гиря часов, — писал Джинс, — энергия не может опускаться бесконечно: когда-нибудь она приблизится все же к своей границе. Рано или поздно последний эрг энергии достигнет последней ступени своего полезного состояния, и в этот момент вселенная потеряет всю свою активность; полное количество энергии во вселенной, правда, не уменьшится, но эта энергия не будет уже способна к каким-либо превращениям; она будет столь же мало способна оживить вселенную, как и вода в стоячей луже заставить вращаться колесо мельницы. Вселенная будет мертва, хотя, может быть, еще и наделена теплом».

Доводы в пользу сотворения мира

Вот к чему приводит применение принципа Карно к будущему вселенной. Посмотрим теперь, к каким заключениям можно придти, если применить этот же принцип, рассматривая прошлое вселенной. Мы опять будем следовать Джинсу, ибо его манера рассуждений особенно типична.

Покинем на мгновение, чтобы идти за Джинсом, короткую шкалу времени и примем приятную его сердцу гипотезу, согласно которой атомы внутри звезд превращаются целиком в излучение за триллионы лет. Исходя из этой своей гипотезы, Джинс заключает, что все вещество во вселенной стремится за больший или меньший срок превратиться в излучение. Он высчитал даже конечную температуру вселенной, которая будет соответствовать всему количеству тепла, полученному тогда, когда подвергнется превращению последний атом вещества. И эта температура, по Джинсу (вследствие очень малой средней плотности, которую он приписывает вселенной), будет гораздо ниже температуры жидкого воздуха. Таким образом, звезды теряют вес по мере того, как вселенная стареет. Если возвратиться в прошлое, то общий вес вещества, или, говоря более точно, его общая масса должна все более увеличиваться. И Джинс показывает, что нужно предположить существование в некоторый момент прошлого настолько значительных масс вещества, что их превращение в тепло должно было бы привести на Земле и вообще всюду к исключительно высоким температурам, не идущим ни в какое сравнение с теми, которые нам известны. Он считает себя обязанным остановиться и высказать две следующие гипотезы:

1. Различные спиральные туманности образовались из одной-единственной туманности, из чего-то аналогичного хаосу, заполнявшему все пространство. Это возникновение различных галактик произошло около десяти триллионов лет назад (с учетом прежних результатов вычислений возраста Млечного Пути).

2. Первоначальная хаотичная материя не существовала вечно. На основании довольно туманных теоретических расчетов Джинс даже пришел к выводу, что атомы не могут быть старше 200 триллионов лет.

«Таким образом, — заключает он хладнокровно, материя, которая не существовала прежде, возникла в определенный момент…»

«Если мы хотим дать физическое истолкование этому творению материи, — продолжает он, — мы можем вообразить лучистую энергию…, которая распространяется в пространстве». Он уточняет затем свойства, которыми следует наделить эту энергию, и добавляет: «Если нам нужно конкретизировать картину такого сотворения, мы можем говорить о руке божьей, возбуждающей эфир».

Тот факт, что Джинс прибегает к вмешательству бога, не должен нас слишком удивлять: в другом своем произведении он заставляет вмешаться «всеведущего математика» (mathematical thinker)! Он как бы вносит в божественное творение некоторый научный дух:

«Мы можем избегнуть такого примитивного представления, если заметим, что пространство, время и материя нераздельны и образуют единое целое, и совершенно бессмысленно говорить о пространстве и времени в ту эпоху, когда материя не существовала. Эта точка зрения согласуется не только с прежними метафизическими теориями, но также и с современной теорией относительности. По этой гипотезе вселенная становится чем-то вроде картины конечных размеров, содержащей некоторое количество пространства и некоторое количество времени. Когда мы перемещаемся во времени, то мы не приближаемся к моменту творения картины, но лишь к ее рамке. Творение остается вне картины, так же как художник остается вне полотна; рассуждать о сотворении вселенной в пространстве и времени — это все равно, что пытаться обнаружить художника и замысел картины, передвигаясь по картине к ее краям. Эта точка зрения нас весьма приближает к философским системам, в которых вселенная рассматривается как плод духа ее творца и, следовательно, сводит на нет все исследования и все дискуссии по поводу творения материи».

Чувствуя, что этой второй формой божества, хотя и менее «примитивной», чем первая, он рискует все же немного удивить читателя в произведении, претендующем на научность (и которое является таким в целом за исключением некоторых мест), Джинс внезапно поворачивает назад и становится на позицию, близкую к агностицизму некоторых позитивистов, которую он пытается оправдать авторитетом Анри Пуанкаре.

«Эти две точки зрения неуязвимы, — пишет он, — но иная точка зрения, свойственная среднему человеку, также является таковой: констатируя, что человеческий ум не в состоянии постичь в целом вселенную, человек решает прекратить попытки своего ума выяснить проблему творения материи. С чисто философской точки зрения этот последний взгляд, возможно, наиболее приемлем. Вот уже четверть века, как физика, главным образом под влиянием Пуанкаре, отказалась от попыток объяснять явления и ограничивается их описанием в наиболее простой форме».

Но подобный возврат к позиции, более приемлемой на вид с научной точки зрения, лишь позволяет английскому астроному еще больше настаивать на необходимости привлечения религии или по крайней мере некоторой деистической философии, чтобы придти к удовлетворительному объяснению мира. Таким образом, мы имеем налицо типичный пример идеалистических или мистических вихляний, к которым приводит агностицизм слишком многих учеников Конта. Это — высшая точка реакционного движения, которой достигли эмпириокритики школы Маха, беспощадно разоблаченные Лениным.

Сравнивая данные, полученные наукой, с зашифрованным текстом, Джинс пишет: «Часто бывает, что сам зашифрованный текст помогает открыть тот код, с помощью которого он составлялся; наличие некоторой ловкости позволяет сделать остальное. Но здесь идет речь о том, чтобы узнать, где, кем и с какой целью составлялось донесение; нет никакого основания полагать, что зашифрованный текст нам поможет ответить на эти вопросы. Здесь астроном должен отказаться от этой задачи. Астрономическое донесение интересует, разумеется, философию, религию и вообще все человечество, но расшифровка его не является миссией астронома. Стараться понять и объяснить ясно смысл последовательности найденных слов — это дело других».

Нельзя сказать, что Джинс игнорирует теорию восстановления вещества во вселенной. Но он с самого начала отмахивается от нее несколькими презрительными словами, за которыми следует в высшей степени субъективистское заключение:

«Некоторые, — говорит он — давая полную волю своему воображению, полагали, что это тепло, т. е. энергия в низшей своей форме, могло бы в течение какого-то времени превратиться само собой в электроны и протоны; по мере того, как активная вселенная рассеивается в форме излучения, ее пепел дал бы, по их мнению, начало новому небу и новой Земле. Наука не дает никаких оснований для подобных фантазий: может быть, это даже лучше, так как неясно, какое преимущество имеет вечное восстановление вещей или даже их изменение, не имеющее конца».

Мы сочли нужным детально привести «доводы» Джинса, так как это, по существу, то же самое, что мы находим у всех креационистов, опирающихся на принцип Карно. Идеи Эддингтона, хотя они ведут к тем же самым заключениям, основаны на соображениях иного рода; мы рассмотрим их в гл. VIII.

Этот новый креационизм имеет своих представителей и во Франции. Один из наиболее решительных креационистов, астроном Страсбургской обсерватории Вероннэ, автор одной космогонической гипотезы, не поколебался написать после ряда соображений, столь же категорических, как и туманных, следующие слова:

«Верить в то, что мир существовал вечно, что весь ансамбль должен достичь некоторого состояния постоянного равновесия, что звезды должны восстанавливаться и рождаться и т. д., - это ложная идея, искажающая принципы астрономии. Таким образом тс, кто упрекал других за идею о сотворении мира, сами приходят к априорному и антинаучному решению проблемы. Именно креационисты правы. Астрономический мир имел начало во времени так же, как он практически ограничен в пространстве».

Вмешательство Пия XII

Особенно симптоматичным является то, что рассуждения, описанные выше, недавно получили самую высокую поддержку религии в лице самого папы. В своей речи «Доказательства существования бога в свете данных современной науки» Пий XII, вспомнив сначала о принципе Карно и теории расширяющейся вселенной, сказал:

«Если, следовательно, ученый, отведя свой взор от настоящего состояния вселенной, обернется к будущему, даже наиболее далекому, он будет вынужден признать, что весь мир, как макрокосмос, так и микрокосмос, стареет. В течение миллиардов лет ядра атомов теряют свою, казалось, неистощимую энергию, могущую быть использованной, и, если привести образное сравнение, материя на исходе своего пути будет находиться в состоянии потухшего и застывшего вулкана…»

«Но обратим теперь свой взгляд к прошлому, — добавляет он далее. — По мере удаления в прошлое, материя должна была быть все более богатой свободной энергией и быть подверженной все большим атомным превращениям. Таким образом, все указывает на то, что материальная вселенная определенное время тому назад приобрела могучий начальный взлет, зарядилась невероятным обилием запасов энергии, благодаря которым она, развиваясь сначала быстро, затем все более медленно, приобрела свое нынешнее состояние…»

И Пий XII восклицает в заключение:

«Таким образом, творение во времени; а поэтому и творец; — и, следовательно, бог! Вот те слова, — еще несовершенные и не совсем отчетливые, — которых мы требуем от науки и которых наше поколение ожидает от нее».

 

II. Противоречия и научные ошибки

В том факте, что папа пытается найти в некоторых научных теориях аргументы в пользу существования бога-творца, нет, по существу, ничего удивительного. Однако с первого взгляда может показаться поразительным, что роль проповедников веры взяли на себя многие крупные астрономы, которые, по-видимому, находят иногда в этом даже удовольствие. И это происходит в то время, как теоретические основы этого наступления креационистов заключаются лишь в поспешных и неоправданных обобщениях и в утверждениях столь же субъективных, как и противоречивых! Мы видим, как крупные ученые внезапно оставляют строгие вычисления и смелые, но несомненно научные гипотезы и начинают хладнокровно высказывать мысли, не имеющие никакого отношения к науке. Все происходит так, как будто они внезапно потеряли способность к научному мышлению до такой степени что их некоторые наиболее резкие и экстравагантные утверждения выглядят почти как результат умственного расстройства.

Однако не будем думать о внезапной умственной болезни. Факты, которые мы описываем, свидетельствуют прежде всего о растущем влиянии на ученых идеологии господствующего в капиталистическом обществе класса. Не следует попросту отмахиваться от этих фактов. Детальный анализ «доводов» Джинса, Вероннэ и других креационистов не только позволит обнаружить в них отсутствие серьезности, но может нам также указать путь правильного научного решения, от которого эти господа решительно отворачиваются.

Противоречие Джинса

Для того чтобы креационистская гипотеза Джинса имела правдоподобный вид, следует сначала сделать допущение, будто все спиральные туманности имеют одинаковый возраст. Но именно благодаря тому, что они находятся на весьма различных стадиях своей эволюции, мы смогли воссоздать ход этой эволюции. Удаленность туманностей никоим образом не может объяснить различие их вида, так как среди наиболее удаленных туманностей, т. е. тех, которые находятся от нас на расстоянии многих сотен миллионов световых лет и которые мы видим, следовательно, в том состоянии, в каком они были многие сотни миллионов лет назад, обнаруживаются такие же различные типы, как и среди наиболее близких туманностей.

Следовательно, если мы желаем придерживаться гипотезы Джинса, необходимо предположить исключительно большое различие в скоростях эволюции спиральных туманностей. Конечно, это не является полностью исключенным, но можно также принять гораздо более вероятное предположение о том, что различные галактики имеют разный возраст, соответствующий их строению, т. е. что в то время, как одни галактики возникают, другие «умирают».

Однако Джинс даже не обращает внимания на это возражение. Его желание утвердить необходимость сотворения мира настолько сильно, что кажется, будто он теряет элементарный здравый смысл. Ведь его креационистская гипотеза согласуется с тем, что получается при применении принципа Карно, и разве это важно, что она оказывается противоречащей фактам наблюдений.

Первое начало термодинамики и «творение»

Но можно сказать еще больше. Наряду с принципом Карно, этим «святая святых» креационистов, имеется также первое начало термодинамики — принцип сохранения энергии. И следует сказать, что Джинс, Вероннэ и все другие его никак не учитывают. Первый нам рассказывает, что 200 триллионов лет тому назад бог пришел и сотворил материю, а следовательно, и энергию; таким образом, явно имело место творение энергии из ничего. Ведь это выглядит целиком антинаучно, — подумают некоторые. Совсем нет, — возражает Джинс, — так как принцип Карно невредим! А это самое существенное… Если вам любопытно узнать, что было перед этим творением, то можно посмеяться над вашей нескромной наивностью. Вас следует отослать к Эйнштейну; нет материи, следовательно, нет ни времени, ни пространства. Если вы не удовлетворены, то поистине вы слишком придирчивы… Что касается Вероннэ, мы должны признать, что он делает свои выводы несколько менее изящно и что его объяснения относительно творения довольно туманны.

«В то время существовало нечто непостижимое», — говорит он нам. Это, несомненно, указание, но так как это «непостижимое» определено чисто негативно, то указание остается весьма туманным. Мы не говорим здесь о творении, предусматриваемом Эддингтоном, так как мы уделим далее этому важному вопросу все то внимание, которое он заслуживает. И мы закончим эту предварительную критику рассуждений креационистов высказыванием Энгельса, от взгляда которого не укрылись экстраординарные рассуждения некоторых ученых по поводу принципа Карно (называемого Энгельсом принципом Клаузиуса):

«В каком бы виде ни выступало перед нами второе положение Клаузиуса и т. д., во всяком случае, согласно ему, энергия теряется, если не количественно, то качественно… Мировые часы сначала должны быть заведены, затем они идут, пока не придут в состояние равновесия, и только чудо может вывести их из этого состояния и снова пустить в ход. Потраченная на завод часов энергия исчезла, по крайней мере в качественном отношении, и может быть восстановлена только путем толчка извне. Значит, толчок извне был необходим также и вначале; значит, количество имеющегося во вселенной движения, или энергии, не всегда одинаково; значит, энергия должна была быть сотворена; значит, она сотворима; значит, она уничтожима. Ad absurdum! (До абсурда!)».

Можно ли рассматривать вселенную как гигантский закрытый сосуд?

Мы видим, что в целом вся аргументация наших креационистов основывается прежде всего на принципе Карно, несмотря на те противоречия, к которым он их приводит. Настало теперь время спросить, действительно ли этот принцип настолько универсален, как они это утверждают, и действительно ли мы вправе применять гениальный вывод, сделанный Карно при изучении работы первых паровых машин, к области, размеры которой измеряются сотнями миллионов световых лет, и к эпохам, уходящим в прошлое или будущее на миллиарды лет.

Первое возражение, которое можно сделать по поводу такого обобщения второго принципа термодинамики, связано с бесконечными размерами вселенной. Если даже предположить, что этот принцип справедлив во все времена и в любом месте, существенным остается тот факт, что он должен применяться к изолированной системе, т. е. к некоторому подобию плотно закрытой комнаты. Но вселенная, если она бесконечна, очевидно, не подходит под это определение; следовательно, нет никакой уверенности в том, что принцип Карно — Клаузиуса может быть действительно применен.

Этому возражению весьма общего характера некоторые космологи стали противопоставлять позднее гипотезу Эйнштейна, согласно которой вселенная конечна, хотя и неограниченна и, следовательно, содержит конечное количество материи и энергии (эта гипотеза будет рассмотрена детально в следующей главе). Таким образом, вселенная может быть рассматриваема в некотором смысле как гигантский закрытый сосуд (хотя этот сосуд обладает совершенно особыми свойствами, и физики весьма далеки от единодушия по этому поводу).

Мы скоро увидим, насколько формальной является эта математическая схема, с помощью которой они хотят представить вселенную, и почему ее не следовало бы принимать в этом виде. Но даже, если на мгновенье принять, что эта схема справедлива, то поднимается вопрос о возможности применения принципа Карно во всей вселенной аналогично тому, как поднимается вопрос о распространении на всю вселенную других законов природы. В связи с этим можно вспомнить осторожные слова Бореля в его введении к французскому переводу небольшой популярной книжки Эйнштейна «Специальная теория относительности»: «Мне кажется…, что если бы жили существа столь маленькие по отношению к капле воды, как и мы по отношению к Млечному Пути, было бы слишком самонадеянным с их стороны судить по наблюдениям внутри капли воды о свойствах земного шара, его минералах, животных и растениях».

Принцип Карно есть статистический закон

Среди законов природы можно различать те, которые являются абсолютно строгими (или нам кажутся такими), и те, которые справедливы лишь в среднем, т. е. когда они применяются к очень большому числу частных событий и когда учитывается эффект компенсации одних событий другими. Примером строгого закона может служить закон падения тел в пустоте: пройденный путь пропорционален квадрату расстояния. Напротив, статистические законы природы можно уподобить законам народонаселения. Предположим, что мы могли определить, что рождаемость в некоторой стране составляла в 1935 г. 15 на 1000. Отсюда, конечно, не следует, что во всех городах этой страны, насчитывающих 1000 жителей, родилось в 1935 г. точно по 15 человек. В некоторых родилось 16, 17 или даже более, в других городах меньше, и большая рождаемость в одних городах компенсировалась меньшей рождаемостью в других.

В конце XIX в. австрийский физик-материалист Людвиг Больцман показал, что принцип Карно должен считаться статистическим законом. Он пришел к этому результату, используя кинетическую теорию газов, согласно которой молекулы газа рассматриваются как идеально упругие, исключительно маленькие шарики (диаметром порядка 10 миллионных миллиметра). Эти «шарики» находятся в постоянном движении, без конца сталкиваются и ударяются о стенки сосуда, в котором заключен газ. Каждая молекула испытывает при этом многие миллиарды ударов в секунду.

«Для того чтобы полностью изучить, — говорит нам Паскье, — движения молекул внутри одного кубического сантиметра газа при нулевой (по Цельсию) температуре и обычном давлении, следовало бы согласно законам классической механики написать систему тридцати миллиардов дифференциальных уравнений, каждое из которых содержит миллиарды миллиардов членов, отражающих взаимные действия всех молекул… Если бы мы захотели исследовать движение каждой из этих молекул в течение лишь одной секунды, то пришлось бы потратить на это 10 миллиардов веков, т. е. около 20 миллиардов человеческих поколений. Этого примера вполне достаточно, чтобы показать практическую невозможность решения подобной проблемы с помощью законов механики».

Тем не менее, теория вероятности, примененная к движению этих молекул, позволяет найти и даже уточнить законы поведения газа, открытые экспериментальным путем. Она приводит также к принципу Карно. Действительно, Больцман, изучая распределение скоростей молекул, установил следующую теорему:

Всякое распределение скоростей молекул, отклоняющееся от нормального, самопроизвольно стремится вследствие столкновений между молекулами к нормальному распределению.

Это «нормальное распределение» является попросту наиболее вероятным распределением. Для газа, заключенного в закрытый сосуд, наиболее вероятное состояние таково, что масса газа повсюду имеет одинаковую плотность (т. е. каждый кубический сантиметр газа содержит одно и то же число молекул) и в каждой части объема скорость молекул в среднем одинакова. Последнее, очевидно, равносильно равенству температур по всему объёму газа (как известно, температура газа повышается с увеличением средней скорости его молекул и снижается при ее уменьшении). Разумеется, что нормальное, или наиболее вероятное распределение осуществляется лишь в среднем, и его можно теоретически предсказать для обычных условий, при которых имеют место лишь только небольшие отклонения (флуктуации) плотности и температуры от их средних значений. Но так как эти колебания, как правило, чрезвычайно малы и, кроме того, продолжаются лишь несколько миллионных долей секунды, то обычно они ускользают от наших наблюдений.

Если смешать в одном сосуде два газа, находящихся вначале при разном давлении и разной температуре, мы получаем в конце концов однородную смесь, обладающую во всех точках равными температурой и давлением (если не говорить о тех флуктуациях, которые остаются незаметными). Таким образом, теорема Больцмана приводит нас в частном случае газа к новой формулировке принципа Карно, которая, объясняя этот принцип, позволяет в то же время понять его истинную природу и дает представление о степени его ограниченности.

Можно было сказать, что в ходе эволюции вселенной также имеется постоянная тенденция к переходу из данного состояния в наиболее вероятное. Наиболее вероятное состояние, к которому окончательно стремится вселенная, характеризуется превращением всей энергии в тепло и полным выравниванием температуры. Но если исходить из этой новой точки зрения на принцип Карно, то он уже не является абсолютным, как это могло казаться в эпоху, когда Клаузиус его обобщал на все случаи. Действительно, возможно, хотя бы теоретически, представить, что за некоторым данным состоянием следует другое, более далекое от нормального, что, например, газ, в котором температура распределена равномерно, перейдет в такое состояние, когда температуры в различных частях объема, занимаемого газом, будут более или менее отличными друг от друга, ибо вероятность такого события, вообще говоря, не равна нулю. Правда, когда рассматривают системы, содержащие большое число близких друг к другу молекул и промежутки времени в масштабе человеческой жизни, эта вероятность настолько мала, что ее можно считать практически равной нулю. Об этом, однако, слишком легко забывают креационисты, и, несомненно, Джинс считал себя победителем, предлагая следующий пример:

«Я ставлю кастрюлю с холодной водой на огонь; конечное состояние таково, что вода превращается в пар… Конечно, возможно такое состояние этой вселенной в миниатюре, при котором вода превратится в лед, а огонь будет становиться все более и более горячим, отнимая тепло у воды… Но его вероятность бесконечно мала».

К несчастью, этот пример ничего не доказывает, поскольку Джинс, не имея на это никакого права, смешивает вселенную с домашней кухней. В защиту своей мысли Джинс приводит и другой аргумент: поскольку общее количество элементарных частиц; вселенной (протонов и электронов) выражается числом, состоящим из единицы с 79 нулями, то вероятность перехода вселенной к менее вероятному состоянию равна обратному значению этого числа и, значит, практически абсолютно невозможна. Однако и этот аргумент не более весок, чем прежний, так как Джинс и здесь предполагает, что вся вселенная не очень отличается от кухни или, если говорить более научным языком, что явления, происходящие с различными материальными объектами, могут быть всегда уподоблены тем, которые происходят в масштабе человеческих восприятий.

Действительно, хотя опыты и подтверждают гипотезу Больцмана, но вместе с тем такое, например, явление, как броуновское движение, уже показывает, что принцип Карно неприменим в молекулярных масштабах.

Броуновское движение

Если в стакан с водой насыпать очень маленькие частички вещества (размерами в тысячные доли миллиметра или менее) и рассматривать поверхность воды в микроскоп, то окажется, что частички находятся в состоянии поистине «вечного движения». Причина этого удивительного явления состоит в том, что частички вещества, плавающие на поверхности воды, испытывают непрерывные удары со стороны молекул воды. Удары молекул могут привести к заметному эффекту лишь при условии достаточной малости частичек. Поэтому наблюдаемое движение тем интенсивнее, чем меньше размеры частичек. Точно так же рыбацкая лодка раскачивается во все стороны волнами, тогда как пассажиры проходящего мимо океанского парохода не чувствуют никакой качки.

Вывод, который можно сделать на основании изучения такого движения частичек (замеченного впервые английским ботаником Броуном), заключается в том, что молекулы жидкости находятся в непрестанном движении. Такова экспериментальная проверка кинетической теории материи. Применив законы молекулярной физики к газу, Больцман смог подтвердить правильность принципа Карно. Было бы, следовательно, неправильным сказать, что броуновское движение опровергает второе начало термодинамики. Напротив, оно нам удачно напоминает о том, что сами основы, на которых базируется это начало, ограничивают условия его применения. В молекулярном масштабе, а тем более в мире атомов, принцип Карно, конечно, несправедлив. Следовательно, можно с полным основанием сомневаться в его применимости и в масштабе вселенной.

Недавний результат Плоткина

Недавно советский ученый Плоткин смог теоретически установить вполне строгим путем, что принцип Карно не применим ни к бесконечной вселенной, ни к какой-либо части вселенной, при условии, что эта часть содержит бесконечно большое число частиц.

Таким образом, становятся полностью оправданными с принципиальной точки зрения те теории, которые уже выдвигались некоторыми учеными в качестве объяснения вечного восстановления миров, о чем речь пойдет ниже. Хотя эти «фантазии», как их назвал Джинс в отрывке, цитированном выше, еще далеко не могут нас удовлетворить, но все же, на наш взгляд, Джинс проявил к ним несколько большее презрение и несколько меньшее внимание, чем они этого заслуживают.

 

III. Теории возрождения миров

Теория Аррениуса

Космогоническая теория Сванте Аррениуса пользовалась очень большим успехом в начале нашего века. Мы не считали, однако, целесообразным излагать ее рядом с теориями Лапласа и Джинса, поскольку очень быстро после своего появления она безнадежно устарела. Главная заслуга Аррениуса состоит в попытке показать, что принцип Карно никоим образом не влечет за собой утверждения о тепловой смерти вселенной и, следовательно, о сотворении мира.

Аррениус утверждал, что вселенная не имеет конца, что она не может стариться, что миры беспрестанно рождаются и умирают. Цикл этой вечной эволюции он рисует следующим образом. Горячее солнце (звезда) охлаждается, затем потухает, покрывается твердой корой, но сохраняет очень высокую внутреннюю температуру. Столкновение такого потухшего солнца с другим потухшим солнцем приводит к возникновению так называемой новой звезды. Эта новая звезда превращается в спиральную туманность, которая в свою очередь становится звездным скоплением. Звезды скопления охлаждаются, и ход явлений возобновляется снова.

Многочисленные слабые стороны этой теории, конечно, видны сразу. В частности, в настоящее время известно, что новые звезды и спиральные туманности, содержащие миллиарды звезд, представляют собой объекты, которые никак нельзя сравнивать друг с другом.

Но Аррениус сумел, так сказать, «обратить» второй закон термодинамики, никак его не нарушая. Он предположил, что спиральная туманность, рождающаяся в результате удара двух потухших солнц, поглощает часть материи, которая выбрасывается звездами под давлением светового излучения, и слипается, образуя сначала метеориты. Таким образом, вселенная функционирует как некоторая тепловая машина, состоящая из горячих источников (звезд) и холодных источников (туманностей). Если догматически применять принцип Карно, то следовало бы говорить о выравнивании температур, т. е. об охлаждении звезд и об одновременном разогревании туманностей. Подобный механизм должен был бы в конце концов прекратить свою деятельность, и вселенная должна была бы умереть, поскольку перестал бы осуществляться обмен энергии.

Но согласно Аррениусу дело происходит не так. Он замечает, что туманности имеют очень малую плотность и, следовательно, весьма мало способны удерживать газовые молекулы, находящиеся вблизи их внешних границ.

Рис. 14. Большая туманность в созвездии Ориона

Когда звезды (солнца) посылают свое тепло туманностям посредством излучения света и материальных частиц, то эта энергия сообщает некоторым молекулам дополнительную скорость. Эти молекулы преодолевают притяжение туманности и покидают ее навсегда. Но самые быстрые молекулы характерны как раз для состояний с высокой температурой, и поэтому энергия, которая передается от звезд к туманностям, не повышает температуру последних. По выражению Аррениуса, «энергия распыляется или „портится“ в телах, находящихся в состоянии солнц и, напротив „улучшается“ в телах, которые находятся в состоянии туманностей». Что касается «горячих» молекул, покидающих туманность, то они могут увеличить энергию других активных солнц.

Эту схему весьма любопытно рассмотреть с принципиальной точки зрения. Конечно, трудно сказать, что она в какой-то мере соответствует реальности. Аррениус не учитывает ни превращения вещества в излучение, ни многих других явлений, открытых к настоящему времени. Тем не менее, его теория остается интересной, поскольку она иллюстрирует тот факт, что принцип Карно не должен обязательно приводить к тепловой смерти, и, кроме того, напоминает нам, что статистические законы не могут применяться, если реализуются некоторые особые условия, не предусмотренные в общем случае.

Замечание Анри Пуанкаре

Рассуждения Аррениуса привлекли внимание Анри Пуанкаре, который, правда, не считал их ни легко осуждаемыми, ни полностью убедительными. Но они навели Пуанкаре на мысль о других случаях, где принцип Карно оказывается также неприменимым:

«Тепло отличается от живой механической силы, — говорит он, — тем, что горячие тела образованы многочисленными молекулами, скорости которых имеют всевозможные направления в то время, как скорости, приводящие к наличию живой механической силы, направлены в одну и ту же сторону. Совокупность газовых молекул образует газ, который может быть холодным и контакт с которым охлаждает. Напротив, изолированные молекулы являются как бы метательными снарядами, удары которых разогревают. В межпланетном же пространстве молекулы отделены друг от друга огромными расстояниями и являются поэтому изолированными. Следовательно, их энергия как бы повышается качественно, она перестает быть просто теплом и продвигается в разряд работы».

Современная постановка проблемы

Теория Аррениуса рассматривала вечное восстановление миров без учета превращения корпускулярной материи в излучение. На современном уровне наших знаний проблема ставится совсем иначе. Действительно, как мы видели в гл. II, сейчас считают, что часть атомов, из которых состоят различные небесные тела, должна превратиться в излучение. Следовательно, для того чтобы было возможным возрождение миров, необходимо, чтобы имело место обратное явление, а именно, чтобы в некоторых областях вселенной происходило превращение излучения (в особенности гравитации) в корпускулярную материю.

Прежде чем переходить к подробному изложению этой проблемы, рассмотрим сущность такого явления и возможное его значение. Солнце теряет вследствие распада своих атомов одну десятитриллионную долю своей массы в течение года. Ради простоты предположим, что другие небесные тела вселенной теряют массу в той же пропорции и что восстановление начинается с формирования наиболее простых атомов, т. е. атомов водорода, тех первичных элементов, из которых могут образовываться более сложные атомы. Тогда можно вычислить, например, сколько атомов водорода должно рождаться в одном кубическом метре пространства, чтобы процессы превращения корпускулярной материи в излучение и излучения в корпускулярную материю компенсировали друг друга. Результат вычислений зависит, конечно, от определенных статистических данных, касающихся, в частности, средних плотностей вещества во вселенной, которые еще не известны достаточно точно. Но все же некоторые астрономы получили при вычислениях, что в одном кубическом метре пространства должен рождаться каждые 100 триллионов лет один атом водорода из излучения. Для того чтобы дать представление об этом числе, следует сказать, что слой земной атмосферы толщиной 100 км (если считать от поверхности Земли) занимает объем в 50 триллионов кубических метров; и в этом колоссальном объеме должно рождаться каждые два года лишь по одному атому водорода. Даже если увеличить этот результат, учитывая возможные ошибки при определении исходных данных, в 10 или 100 раз, то можно все же утверждать, что подобное явление восстановления вещества, если бы оно действительно имело место, оставалось бы непосредственно совершенно незаметным. Только некоторые последствия такого явления помогли бы нам обнаружить его существование. Впрочем, было бы неизвестно, происходит ли оно в земной атмосфере, или вблизи небесных тел, или в относительно пустом межзвездном пространстве.

Первые теории, созданные с целью показать возможность такого восстановления корпускулярной материи, как, например, теория Нернста, прибегали еще за помощью к световому эфиру — в том виде, как его представляли в конце последнего века. Это была гипотетическая среда — носитель световых и электромагнитных явлений, заполняющая все пространство, являющаяся одновременно и невесомой и твердой и обладающая столькими противоречивыми свойствами, что пришлось отказаться от предположения о ее существовании. Мы не будем останавливаться на этих теориях, так как их основы были разрушены современной наукой, и рассмотрим те решения данной проблемы, которые можно предвидеть сегодня.

«Материализация» фотона

Проблема могла быть поставлена корректно благодаря созданию квантовой теории света, которая была выдвинута впервые в 1905 г. Эйнштейном и в дальнейшем получила блестящее подтверждение.

В 1925 г. немецкий ученый Штерн поставил вопрос, не может ли столкновение двух частиц света (или, как их называют, двух фотонов) привести к рождению атома водорода, т. е. довольно сложной системы, состоящей из ядра с положительным электрическим зарядом (или протона) и из материальной частицы, заряженной отрицательно (или электрона). Штерн сделал вывод о возможности подобного явления при выполнении целого ряда условий, которые весьма редко могут быть осуществлены, особенно в межзвездном пространстве. Действительно, это возможно, по Штерну, прежде всего лишь в условиях исключительно высокой температуры (равной многим миллионам градусов); впрочем, и обратное превращение, т. е. возникновение двух фотонов вследствие распада атома водорода, требует такой же температуры. Кроме того, для этого необходима исключительно большая плотность фотонов в данной области пространства. В 1931 г. немецкий ученый Доннан пришел к аналогичным выводам (в частности, в отношении температурных условий).

По мнению этих ученых, превращение излучения в корпускулярную материю может происходить лишь во внутренних и очень горячих областях звезд. Оно не может иметь места в межзвездном пространстве, и его нельзя, разумеется, воспроизвести сейчас в лабораториях.

Но вопреки этому мнению именно в лаборатории была осуществлена двадцать лет назад «материализация» фотонов, правда, в рамках иного процесса, чем тот, который рассматривался Доннаном и Штерном. Речь идет об экспериментальных работах Андерсона и супругов Жолио-Кюри. Хотя эти ученые и не занимались построением атома водорода путем столкновения двух фотонов, но, по крайней мере, обнаружили возможность эффективной «материализации» фотонов и создания в лабораториях более сложных атомов из более простых.

Первое явление такого рода было обнаружено в лабораториях в результате изучения некоторых свойств так называемых космических лучей. Космические лучи, приходящие на Землю по всем направлениям из пространства, обладают очень большой проницающей силой и содержат в числе других маленькие заряженные частицы, аналогичные электронам, но заряженные положительно — отсюда их название «положительных электронов» или позитронов. Подобные частицы до 1933 г., когда их открыл американский ученый Андерсон, никогда еще не наблюдались.

Андерсон, бомбардируя пластинку свинца радиоактивным излучением тория, сумел получить в лаборатории те же позитроны, сопровождаемые отрицательными электронами. Он объяснил появление этих частиц тем, что фотон с большой энергией, излучаемый торием, при встрече с ядром атома свинца превращается в две материальные частицы, обладающие противоположными электрическими зарядами. Таким образом, можно сделать вывод о настоящей «материализации» излучения (именно этот термин использовали супруги Жолио-Кюри, которые повторили подобный опыт во Франции), поскольку фотон, частица излучения, рождает две частицы вещества: отрицательный и положительный электроны. Наоборот, если отрицательный электрон встречается с позитроном, то они могут «дематериализоваться» («аннигилироваться»), превращаясь в два фотона (опыты Ф. Жолио и Ж. Тибо).

Супруги Жолио-Кюри пошли гораздо дальше в своих исследованиях и сумели осуществить превращение одних химических элементов в другие, подвергая их воздействию излучения различного рода. В большом числе случаев образованные таким путем новые элементы сразу же распадаются, давая начало третьим элементам (искусственная радиоактивность). Так, например, бомбардируя соответствующим излучением алюминий, эти ученые превратили его в неустойчивый фосфор, который вел себя как радиоактивный элемент в течение нескольких минут, а затем (через достаточно большой промежуток времени) окончательно превращался в кремний. В то же самое время можно было наблюдать образование многочисленных позитронов. Следует обратить внимание на то, что атомное число (соответствующее степени сложности атомной структуры) для получаемого кремния меньше такового для фосфора, но больше атомного числа первичного алюминия.

Эти работы, продолженные многочисленными коллективами ученых всех стран, привели к осуществлению превращений всех известных химических элементов. Более того, они позволили создать совсем новые химические элементы. Если русский ученый Менделеев насчитывал в своей периодической таблице 63 элемента, то теперь их известно уже 101. Новые элементы, полученные искусственным путем, неустойчивы и быстро превращаются вследствие радиоактивного распада в элементы с устойчивыми атомами.

В заключение можно сделать следующий вывод:

1. Корпускулярная «материализация» излучения осуществляется в лабораторных условиях при превращении фотона в пару «электрон — позитрон» и при этом не требуется ни очень высокой температуры, ни исключительной плотности фотонов. Правда, одна из двух частиц, образующихся из фотона, — позитрон, не входит в состав частиц, образующих атомы, и превращается быстро опять в излучение, если образование позитрона происходит не в пустоте (где он может существовать неограниченное время). Но во всяком случае «положительный электрон» — позитрон — существует и является одной из важных составляющих вещества. С другой стороны, возможна «дематериализация» (аннигиляция) двух противоположно заряженных частиц — электрона и позитрона, столкновение которых приводит к возникновению двух или более фотонов.

2. Из атомов, имеющих простое строение, можно построить более сложные атомы, например атомы кремния из атомов алюминия. Такое превращение в направлении, противоположном обычной радиоактивности («восстановление» вещества), часто сопровождается излучением позитронов. Вспомним, что именно на основании этих исследований, касающихся превращения элементов, Бете создал теорию, объясняющую исключительно большое выделение энергии звездами.

В 1939 г., перед второй мировой войной, Ж. Соломон, один из самых многообещающих молодых французских физиков (которого немцы расстреляли 23 мая 1942 г. за его участие в движении Сопротивления), написал относительно понятия материи следующее:

«Не следует таким образом приписывать буквальный смысл выражениям — материализация или дематериализация, обозначающим всего-навсего переход из одного состояния материи в другое…».

На пути к «изготовлению» атомных ядер в лабораториях

По поводу описанных выше опытов можно сделать замечание, что ни в одном из них не наблюдалась «материализация» фотонов в частицы, входящие в состав ядер атомов. Действительно, при всех превращениях, приводящих к возникновению элементов с более высоким атомным весом, участвует излучение, но описанное выше восстановление вещества не сопровождается поглощением излучения.

Современная наука открывает, однако, гораздо более широкие перспективы. Исследования атомных превращений вынудили, как мы уже указывали в гл. II в связи с теорией Бете, заняться конструированием различных ускорителей частиц: циклотронов, бетатронов, синхротронов и др. Благодаря этим ускорителям не только можно осуществлять все более и более многообразные атомные превращения и воссоздать новые недавно открытые составляющие космического излучения, как, например, мезоны, но можно также значительно углубить наши знания относительно строения атома. Было обнаружено, что наряду с электронами и протонами имеются другие частицы, из которых, во всяком случае, нейтроны, имеющие массу приблизительно равную по величине массе ядра атома водорода, но лишенные электрического заряда, играют исключительно важную роль.

В настоящее время во многих странах, в частности, в СССР и США, используют гигантские ускорители частиц. Эти ускорители сообщают частицам энергию в сотни тысяч раз большую, чем та, с которой имел дело в своих опытах Андерсон. Некоторые современные ускорители имеют более 200 метров в диаметре и снабжены магнитами весом в тысячи тонн.

Исключительное значение тех исследований, которые позволят осуществить эти новые ускорители, было подчеркнуто французским физиком Ф. Перреном в сентябре 1952 г. в следующих словах:

«Все это (т. е. новая возможность разрушения или построения атомных частиц. — П. Л.), находится еще в области теории. Однако теперь можно дать себе отчет о том огромном значении, которое это открытие, если оно подтвердится экспериментально, будет иметь с философской точки зрения.

Это будет действительно отрицание метафизики, которая приписывает творение мира сверхъестественному вмешательству».

По-видимому, мы уже стоим на пороге той эпохи, которую предвидел Энгельс, когда он в 1875 г. писал по поводу возрождения миров:

«Вопрос о том, что делается с потерянной как будто бы теплотой, поставлен, так сказать, в чистом виде лишь с 1867 г. (Клаузиус). Неудивительно, что он еще не решен; возможно, что пройдет еще немало времени, пока мы своими скромными средствами добьемся решения его. Но он будет решен; это так же достоверно, как и то, что в природе не происходит никаких чудес…».

Космические лучи

Если экспериментальные доказательства возможности восстановления вещества благодаря превращениям излучения становятся все более многочисленными и убедительными, то все же остается открытым вопрос о том, где происходит во вселенной это восстановление. Мы остановимся на современных представлениях об этих процессах.

Если во вселенной действительно происходит процесс восстановления вещества, то этот процесс, возможно, сопровождается освобождением некоторого «вторичного» излучения. Именно как это «вторичное излучение» можно было бы истолковать поток частиц, приходящих на Землю в составе космических лучей. Вот почему те ученые, которые занимаются вопросами эволюции вселенной, всегда уделяли большое внимание проблеме космических лучей.

Некоторые свойства космических лучей стали известны еще в начале этого века, но лишь гораздо позднее, с помощью наблюдений в стратосфере, было доказано их внеземное происхождение. Тщательное изучение показало, что космическое излучение распределено почти строго равномерно в пространстве, а также во времени, т. е. что практически нет преимущественного направления, в котором космические лучи приходили бы па Землю в большем количестве, и их интенсивность всегда одинакова в любой час и в любое время года. В частности, нет никакого максимума, соответствующего направлению на Солнце или на те или иные участки Млечного Пути.

С другой стороны, энергия, переносимая этими лучами, огромна. Измерения, выполненные как на поверхности Земли, так и на очень больших высотах, показывают, что эта энергия в десятки раз больше той, которая посылается на Землю в виде света и тепла всеми звездами вместе взятыми (если не считать Солнца).

Несмотря на все усилия, физики еще не смогли придти к целиком удовлетворительному объяснению природы огромной энергии этого потока частиц. Вместе с тем, эта проблема имеет фундаментальное значение. Действительно, нельзя не видеть, что никакая космогоническая теория, касающаяся вселенной в целом, не может быть действительно полной, если она не дает приемлемого решения этой проблемы.

«Наши знания еще весьма недостаточны, чтобы предложить в связи с этим излучением нечто другое, кроме отрицательных выводов», — заметил недавно французский ученый П. Оже, и действительно, в настоящее время представляется достоверным лишь то, что космические лучи не посылаются ни Солнцем, ни совокупностью звезд, образующих системы, аналогичные нашему Млечному Пути.

Если не следовать за полетом воображения некоторых сторонников теории расширяющейся вселенной, например Цвикки, Регенера и Леметра, для которых космические лучи были образованы в эпоху «сотворения мира», после чего начался их непрерывный круговорот в конечном и неограниченном мире (одной из моделей Эйнштейна), то необходимо предположить, что они или зарождаются в межзвездном пространстве или излучаются в пространство некоторыми особыми звездами, распределение которых в среднем является более равномерным, чем распределение звезд, окружающих нашу планету.

Высказывалось также предположение о существовании в обширных областях пространства исключительно протяженных электромагнитных полей, которые могли бы, действуя непрерывно, сообщать частицам наблюдаемую большую энергию. Но для того чтобы эту теорию обосновать, необходимо ее дополнить еще довольно произвольным предположением о существовании каких-то сложных процессов, приводящих, в частности, к сохранению той разности потенциалов, которую потоки электронов стремятся все время уничтожить. Таким образом, мы погружаемся здесь, по выражению П. Оже, в «настоящий научный романтизм».

Другая гипотеза была выдвинута около четверти века назад Милликеном. Хотя Милликен выступал после этого с громкими идеалистическими декларациями, но он является все же замечательным экспериментатором. В словах, которые мы ниже цитируем, мы встречаемся, к счастью, с экспериментатором, а не с философом-идеалистом.

Для Милликена «никакие атомные превращения, если это только не процесс формирования атомов, не могут привести к выделению такой энергии».

В своих теоретических набросках того времени американский ученый не рассматривал, правда, вопрос о восстановлении вещества благодаря превращениям излучении, а лишь вопрос о появлении при некоторых условиях атомов с более сложной внутренней структурой (например, атомов гелия) в результате превращения атомов с более простой структурой (например, атомов водорода). Но, с другой стороны, он полагал, что при образовании еще более тяжелых атомов (кислород, кремний, железо) могут возникать космические лучи.

Мы снова встречаемся здесь с гипотезой, с помощью которой Бете объясняет природу источника лучистой энергии звезд. Но Милликен полагает, что данные явления, в частности, соединение четырех атомов водорода и образование атома гелия, могли бы также иметь место внутри туманностей в условиях довольно низкой температуры, если частицы там обладают «очень большой длиной свободного пробега».

Если это так, то атомы водорода должны присутствовать в областях пространства, удаленных от звезд. Это именно тот результат, к которому пришел Боуэн, когда он в 1928 г. окончательно разрешил загадку «небулия». Известно, что спектральный анализ света, излучаемого некоторыми туманностями или некоторыми весьма рассеянными скоплениями материи, позволял предположить о существовании в этих объектах неизвестного до сих пор на Земле химического элемента — «небулия». Боуэн же установил вполне определенно, что это таинственное световое излучение создается наиболее распространенными на нашей планете элементами: кислородом и азотом, но находящимися в особых условиях «в областях, которые отделены от звездных источников возбуждения световыми годами».

Присутствие этих различных элементов делает, следовательно, гипотезу Милликена правдоподобной; конечно, этого еще недостаточно, чтобы доказать ее справедливость, поскольку данный факт, несомненно, может быть вполне объяснен также совсем другим путем.

С другой стороны, можно спросить, не была бы теория воссоздания вещества из атомов водорода, выдвигаемая американским ученым, еще более полной, если бы в нее был включен вопрос об образовании атомов в результате превращения излучения. После работ Андерсона и супругов Жолио-Кюри эта гипотеза представляется не такой уже неправдоподобной, как она казалась пятнадцать лет назад.

Как бы то ни было, но теория Милликена также приводит к отрицанию универсальности принципа Карно, так как по этой теории существование космических лучей свидетельствует о том факте, что некоторые области вселенной возвращаются в известном смысле в прежнее состояние. Правда, некоторые креационисты, как, например, Эддингтон, принимая, как и Милликен, что возникновение космических лучей есть следствие процесса построения тяжелых атомов из легких, пытаются показать, что эти явления не противоречат, по существу, второму началу термодинамики и что тепловая смерть вселенной все равно неизбежна. По нашему мнению, это значит смещать, искажать вопрос.

Существенное соображение было вполне определенно высказано самим Милликеном в ходе глубоких исследований, на которые мы уже ссылались. В умеренных, но справедливых выражениях он подчеркнул, что мы не имеем права на систематическое и умозрительное обобщение принципа Карно:

«В свете этих фактов (перенос большого количества энергии космическими лучами. — Прим. автора), — писал он, — можно взглянуть на второй закон термодинамики, который по странному мнению некоторых ученых является определяющим фактором для теорий происхождения и судьбы вселенной, иными глазами. Ведь этот закон в целом есть лишь простое обобщение тех фактов, повседневно наблюдаемых в земных условиях, что энергия в любой форме стремится превратиться в тепло, в излучение, рассеивающееся в пространстве, после чего она для нас теряется. Таким образом, горячее стремление к его обобщению основано на недостаточных знаниях. Вот почему экспериментатор играл и будет всегда играть столь важную роль в процессе науки. В результате действенного применения экспериментальных методов один за другим обнаруживались факты, которые оставались вне поля зрения теоретиков, даже когда последние, оставаясь в рамках логичных, по их мнению, теорий, уже находили для наблюдаемых фактов их места в цельной цепи последовательных явлений. Не заходят ли теоретики, находящиеся до сих пор в неведении относительно источника наиболее мощного, пожалуй, излучения, слишком далеко в своих заключениях о происхождении и судьбе вселенной?».

Добавим, что если Милликен ставит проблему, касающуюся принципа Карно, корректно и если некоторые из его предположений продолжают привлекать внимание ученых, то все же ничто в самых последних работах о космических лучах не подтвердило пока его гипотез. Вполне естественно, что физики продолжают работать в других направлениях. Одни, как, например, Альфвен, привлекают в качестве ускорителей электронов мощные магнитные поля, которые должны окружать звезды. Аналогичным образом Ферми объяснял происхождение энергии космических лучей при столкновениях частиц с намагниченными облаками межзвездной среды. Другие, как, например, Цанстра, заметили, что сверхновые в момент их вспышки выбрасывают в пространство значительную энергию, что приводит также к возникновению интенсивного космического излучения; это как будто подтверждается очень слабыми колебаниями наблюдаемой интенсивности космического излучения.

Все эти теории Милликена, Альфвена, Ферми, Цанстра, Регенера содержат слабые пункты и не все равноценны в объяснении наблюдаемых фактов. Однако мы пока не имеем оснований для предпочтения одной из них и полного отбрасывания других. Впрочем, возможно, что, поступая таким образом, мы даже совершили бы ошибку. Мы объединяем под названием космических лучей все виды мощного излучения, приходящего, как нам кажется, из глубин вселенной. Тот факт, что мы наблюдали все эти лучи, а поэтому и изучаем во всей их совокупности как нечто целое, совсем не доказывает, что все они имеют одно и то же происхождение. «Первичное» космическое излучение, которое приходит со всех направлений из пространства в верхние слои земной атмосферы, состоит преимущественно из положительно заряженных частиц — протонов. И если говорить только о позитронах, то мы их получаем в лабораториях (т. с. в совсем других условиях) или как результат «материализации» фотонов, или как результат превращений элементов (трансмутаций). Следовательно, является правдоподобным, что космические лучи имеют далеко не единую природу, а представляют собой совокупность излучений, вызванных процессами атомных превращений во вселенной, которые имели место в прошлом или протекают в настоящее время. Притом эти превращения могут принимать весьма различные формы, среди которых помимо рождения некоторых атомов из атомов водорода вполне может фигурировать также «аннигиляция» вещества, а также, если это возможно, рождение атомов водорода как результат «материализации» фотонов.

Роль космических облаков

Другим фактором, возможно, играющим важную роль в «восстановлении» вещества во вселенной, является существование в межзвездном пространстве более иди менее рассеянных скоплений вещества.

По правде сказать, мы мало знаем об этих космических объектах. Часто они являются совсем темными и образуют иногда настоящие черные пятна на звездном небе. В тех, которые немного светятся, можно обнаружить наряду с газами с небольшим атомным весом также более тяжелые элементы, например кальций. Но до сих пор было невозможно точно оценить их массу в той или иной области пространства. Однако многие астрономы полагают, что общая масса облаков рассеянного вещества в Галактике примерно равна суммарной массе звезд.

О происхождении скоплений рассеянного вещества также пока можно сказать мало. Как мы видели в гл. II, их присутствие обнаруживают в тех спиральных галактиках, которые рассматриваются в настоящее время как «молодые». С другой стороны, вполне очевидно, что сгущения диффузной материи должны содержать какие-то остатки «мертвых» небесных светил; потухших звезд, потерпевших катастрофы планет или комет. Они должны также содержать материю, которая выбрасывается из верхних слоев звездных атмосфер, и материю, бурно извергающуюся из звезды, когда она становится новой.

Возникает, следовательно, вопрос, не может ли материя, выделяемая яркими звездами, и материя, существующая внутри «мертвых» галактик, собираться постепенно в других областях пространства и образовывать протяженные диффузные туманности, которые будут затем эволюционировать, превращаясь в спиральные туманности. Для того чтобы такая эволюция соответствовала на самом деле истинному восстановлению миров, необходимо, чтобы образовавшиеся подобным путем галактики в свою очередь могли послужить отправной точкой для возрождения корпускулярной материи из излучения. Из остатков спиральных туманностей могли бы тогда рождаться новые галактики.

Сейчас уже известно, что космические облака, светящие своим собственным светом, возбуждаются излучением очень горячих звезд. Это излучение ионизует атомы облаков, т. е. некоторые фотоны отрывают у атомов электроны и передают им свою энергию. Атомы водорода, имеющие лишь по одному электрону, вращающемуся вокруг ядра (их содержится очень много в межзвездной материи), распадаются при этом на электроны (отрицательные) и свободные протоны (положительные ядра).

Рис. 15. Темная туманность в созвездии Змееносца

Свободные электроны могут снова соединиться с протонами или возбуждать другие атомы. Не сопровождаются ли эти явления «материализацией» некоторых фотонов и превращениями, приводящими к образованию более сложных атомов, что как раз облегчается существованием свободных протонов? Хотя физические условия в этих скоплениях весьма отличны от тех, которые имеют место в звездах или в лабораториях, где возможно осуществление подобных атомных превращений, было бы, несомненно, преждевременным отбрасывать в настоящее время эти гипотезы. Как бы то ни было, полная теория эволюции вселенной все равно должна будет объяснить присутствие и особенно значение и роль межзвездной материи.

Проблема относительной распространенности элементов

Прежде чем закончить эту главу, следует сказать еще несколько слов по поводу проблемы, которая стала изучаться астрономами сравнительно недавно. При подсчете относительных количеств, в которых встречаются во вселенной различные химические элементы, можно заметить, что наиболее распространенными являются элементы с наименьшим атомным весом и прежде всего водород. По мере увеличения атомного веса, т. о. с усложнением атомов, элементы становятся все более и более редкими, а элементы с таким большим атомным весом, как уран, встречаются в относительно ничтожном количестве. В то же время можно констатировать, что одни изотопы химических элементов встречаются гораздо чаще, чем другие.

Подобная относительная распространенность элементов связана, очевидно, с условиями их происхождения. Таким образом, наблюдения дают нам новые и ценные данные для построения рациональной космогонии.

К сожалению, эти данные прежде всего использовались до сих пор креационистами, поддерживающими теорию расширяющейся вселенной, как, например, Леметром, Гамовым или Чандрасекаром. Последние исходят из начального состояния материи в условиях исключительно большой концентрации, очень большой плотности и очень высокой температуры (рассматривают и плотности, превышающие примерно в 10 миллионов раз плотность воды, и температуры, измеряемые десятками миллиардов градусов). Эти работы не дали ничего положительного в деле создания научной теории эволюции вселенной. Вместе с тем, если гипотеза о расширении местного скопления галактик внутри бесконечной вселенной экспериментально подтвердится (мы возвратимся к этому вопросу в главе VIII), некоторые результаты этих работ, возможно, окажутся полезными. Во всяком случае, если мы хотим воссоздать правильную картину истории вселенной, проблема относительной распространенности химических элементов должна быть также разрешена.

Выводы из этой главы

Из всего изложенного в этой главе читатель может заключить, что сейчас еще несколько преждевременно пытаться построить полную теорию возрождения миров. Впрочем, мы и не собирались излагать здесь такую теорию. Мы рассмотрели точку зрения креационистов и показали явную слабость их аргументов, претендующих на научность. Мы увидели, что принцип Карно, на котором они пытаются обосновать свои утверждения о конечности вселенной во времени, далеко не является абсолютным законом, а лишь статистическим результатом. Он справедлив лишь в масштабах человеческих восприятий, и необходимо отказаться от его систематического применения как в бесконечно малом, так и в бесконечно большом. Наконец, «материализация» излучения, которую идеалисты рассматривали как неосуществимое, теперь осуществлена. Возможность «воссоздания» вещества установлена теперь со всей уверенностью, хотя наши настоящие знания еще не позволяют определить конкретно ход этого процесса.

 

I. Теории Леметра и Эддингтона

Теперь нам надо рассмотреть вторую группу теорий, также претендующих на рассмотрение эволюции вселенной в целом: это теории, касающиеся возможного расширения (или растяжения) вселенной. Они являются более поздними и более детальными, чем те, которые основаны на незаконном обобщении принципа Карно. Но мы увидим, что креационисты желают использовать эти теории в прежних целях и пытаются снова сделать вывод об обязательном сверхъестественном рождении вселенной, о возможности развития вселенной лишь в одном направлении.

Поскольку эти теории были встречены весьма благожелательно не только в Англии, где мистически настроенный ученый Эддингтон особенно отличился в их защите, но также и некоторыми французами, причисляющими себя (как, например, Поль Куде) к последователям рационализма, поскольку сам римский папа одобрил их публично в своей речи 22 ноября 1951 г., с ними необходимо познакомиться достаточно подробно. Мы постараемся сначала показать, как большие ученые, находящиеся под воздействием религиозных предрассудков, проявляют настоящую научную нечестность, желая пренебречь даже в рамках той самой теории, которую они воздвигают, всем, что могло бы противоречить идее о творении. Затем, идя дальше, мы перенесем критику на самые основы теории, чтобы показать ее односторонний формализм и ее внутренние противоречия.

Экспериментальные основы теории расширяющейся вселенной. «Разбегание» спиральных туманностей

Когда источник звука перемещается, то достигающий нас звук отличается (мы имеем в виду не силу звука, а высоту его тона) от того, который мы слышим, если этот источник неподвижен. Находясь вблизи полотна железной дороги и наблюдая идущий по направлению к нам и сигналящий паровоз, мы можем заметить, что его гудок имеет более высокий тон, когда паровоз приближается, затем высота тона резко понижается, когда паровоз проходит мимо нас, и становится еще ниже, когда паровоз начинает удаляться от нас. Точно так же в спектре излучения, которое идет к нам от движущегося источника, линии спектра смещены по сравнению с теми же линиями в случае неподвижности того же самого источника. На основании спектрального анализа света, идущего от звезд, можно поэтому заключить, удаляются ли эти небесные тела от нас или приближаются к нам и с какой скоростью они движутся. Подобное исследование спектров спиральных туманностей привело к следующему выводу:

Все наблюдаемые спиральные туманности кажутся удаляющимися от нашей Галактики со скоростью, возрастающей пропорционально расстоянию этих туманностей от нее.

Удаление туманностей было обнаружено в 1919 г.; закон пропорциональности между скоростью и расстоянием был установлен американским астрономом Хабблом в 1929 г. Самые далекие от нас туманности, еще доступные для исследований, убегают от нас с исключительно большой скоростью, достигающей 65 С00 км/сек. Если допустить существование гораздо более далеких туманностей, то они должны были бы удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света (300 000 км/сек). Это противоречит теории относительности, согласно которой никакие тела не могут перемещаться с такой скоростью, поскольку их масса становится тогда бесконечно большой. Если же предположить, следуя многим ученым, специалистам в теории относительности, что противоречие с теорией относительности является лишь кажущимся, то можно придти к выводу, что от таких далеких галактик к нам не может дойти никакое излучение. Наконец, из факта удаления всех туманностей от пашей Галактики можно сделать вывод, что они должны удаляться также и друг от друга по такому же закону. Для астронома, находящегося на другой галактике, это явление имело бы точно такой же вид, как и для нас, что сразу же непосредственно доказывает отсутствие привилегированного положения нашего Млечного Пути.

Таковы факты. Посмотрим теперь, какие объяснения даются этим фактам.

Релятивистское объяснение Фридмана — Леметра

В то самое время, когда ученые задавали себе вопрос, является ли смещение спектральных линий в спектрах галактик следствием их действительного удаления и нельзя ли его объяснить другой причиной, влияющей на световые лучи на их пути между галактиками, была создана новая теория основывающаяся на некоторых результатах Эйнштейна. Эта теория определенно высказывается в пользу первой гипотезы и утверждает, что взаимное удаление спиральных туманностей друг от друга является реальным.

Теория расширяющегося пространства была развита сначала советским физиком Фридманом (1922) на строго научной основе. Затем бельгийский аббат Леметр (1925–1927) принял ее и сделал из нее теологические выводы. Она была довольно мало известной в научных кругах до 1930 г. Но когда в 1930 г. эта теория была одобрена и принята Эддингтоном, она сразу же приобрела значительную популярность.

Леметр исходил из представления о вселенной, наиболее распространенного среди ученых, чрезмерно увлекающихся необоснованными выводами из теории относительности. Было бы слишком долго детально объяснять, в чем заключается это представление, о котором до сих пор мы делали лишь краткие намеки. Мы удовлетворимся лишь тем, что напомним о некоторых существенных пунктах, делая при этом необходимое различие между результатами, относящимися к локальным (местным) свойствам пространства и времени и представляющими собой научные достижения типично диалектического характера, и «моделями», посредством которых некоторые космологи, основываясь на систематических упрощениях и на рискованных обобщениях, некоторые ученые претендуют на схематическое изображение вселенной в целом.

Согласно принципам теории относительности Эйнштейна время и пространство связаны друг с другом и связаны с явлениями, в них происходящими, т. е. другими словами, связаны с материей в самом общем смысле этого понятия. Время и пространство не являются лишь неподвижным фоном, на котором протекают различные явления. Величина промежутка времени между двумя событиями изменяется, например, в зависимости от того, какими часами мы при этом пользуемся: движущимися или неподвижными относительно той системы, где происходят эти события. Свойства пространства настолько тесно связаны со свойствами времени, что следует рассматривать нашу вселенную, как обладающую не тремя, а четырьмя измерениями, из которых три — пространственные, а одно — временное. Но четвертое измерение — время, не играет при вычислениях точно такой же роли, как и остальные три измерения. Вместо того, чтобы говорить отдельно о пространстве и о времени, приходится говорить только об одном пространстве — времени. Но сами свойства этого пространства — времени зависят от количества и распределения материи, содержащейся в нем. В зависимости от того, больше или меньше имеется материи в данной области, пространство — время будет более или менее «искривлено» в этой области. Конкретно это выразится существованием в окрестности данной области большего или меньшего поля сил, притягивающих соседние материальные массы, большим или меньшим отклонением световых лучей и т. д.

Наконец, Эйнштейн обратился также и к проблемам космологии, т. е. к исследованию структуры вселенной, рассматриваемой как целое. Он заключил, что пространство, которое рассматривалось, начиная с Ньютона, как бесконечное, должно быть конечным, не являясь, однако, ограниченным: другими словами, луч света никогда не достигнет какой-либо «границы», но он не может бесконечно удалиться от начального пункта и в конце концов возвратится к этому пункту.

В пространстве с меньшим числом измерений, а именно с двумя, человек, который будет идти все время вперед по поверхности шарообразной Земли, никогда не придет к ее «краю» (что имело бы место, например, в случае плоской дискообразной Земли), а возвратится на то же место, откуда он вышел, описав по земному шару круг. Наш путешественник мог бы обойти всю поверхность Земли, узнать, что она содержит конечное число квадратных километров, что на ней обитает конечное число жителей. Все на Земле казалось бы ему конечным, но он все же не обнаружил бы никаких ее границ.

Точно так же и во вселенной человек может согласно этим теориям, по крайней мере мысленно, описать и перечислить все звезды и все туманности, поскольку их общее число все же конечно. Однако при этой переписи, если ее выполнить, перемещаясь между небесными телами с невообразимо большой скоростью, никогда нельзя было бы достичь места, где вселенная кончалась бы и начиналось «нечто другое». Мы не будем продолжать наше сравнение, которое станет уже неточным, если мы пойдем по этому пути далее. Действительно, наш предполагаемый путешественник, обегающий поверхность Земли с целью измерения и перечисления всего, что там находится, может покинуть эту поверхность. Он может подняться в воздух, он отправится, возможно, когда-нибудь в межзвездное путешествие. Но наш межзвездный путешественник не сможет никогда покинуть вселенную; он находится в ней и обязательно там останется. Нельзя сказать, впрочем, что он является в некотором роде пленником, поскольку для него не существует ничего вне вселенной.

Работы Фридмана и Леметра, а также более поздние работы Гекмана, де Ситтера и самого Эйнштейна основываются главным образом на следующем теоретическом открытии.

Математические уравнения, которым должна удовлетворять вселенная Эйнштейна, не требуют обязательной устойчивости (т. е. неизменности во времени) вселенной. Существует целый ряд решений этих уравнений, согласно которым вселенная не может сохранять постоянные размеры, а должна обязательно или растягиваться или сжиматься, или попеременно то растягиваться, то сжиматься и не может оставаться в одном и том же состоянии (в настоящее время она расширяется). Говорят также, что колеблется «радиус» вселенной, характеризующий ее размеры так же, как, например, радиус Земли характеризует величину поверхности Земли. Впрочем, само значение этого радиуса очень трудно определить вследствие той неуверенности, которая имеет место сегодня в отношении фундаментальных данных относительно вселенной в целом. Крайние оценки колеблются между несколькими миллиардами и сотнями миллиардов световых лет (наиболее поздние оценки входят, в общем, в число наименьших).

Конкретный пример (в системе, имеющей на одно измерение меньше) позволит возможно лучше понять, в чем заключается это растягивание вселенной. Рассмотрим мыльный пузырь, к которому приклеилось несколько пылинок и предположим, что этот пузырь раздувается; его радиус увеличивается и взаимные расстояния между различными пылинками, находящимися на поверхности пузыря, увеличиваются все в одном и том же отношении. Если бы на одной из этих пылинок обитал воображаемый микроскопический астроном, который мог бы измерять расстояния на поверхности, не имея, однако, возможности покинуть эту поверхность, то он обнаружил бы, что все остальные пылинки удаляются от той, на которой он обитает. Он установил бы, что чем дальше находится от него пылинка, тем быстрее она удаляется; он пришел бы к выводу о пропорциональности скоростей удаления пылинок их расстояниям до его собственной пылинки. Однако это сравнение также не следует продолжать далее. Когда мы рассматриваем мыльный пузырь, мы сразу непосредственно видим, в чем заключается, если можно так выразиться, изменение его радиуса; напротив, невозможно чувственно-наглядно представить, в чем заключается растяжение или сжатие вселенной. Единственный конкретный смысл, который имеют для нас эти слова, передается наблюдаемыми следствиями предполагаемого растяжения или сжатия: удаление или, напротив, приближение спиральных туманностей.

Наблюдаемое удаление галактик объясняется, следовательно, по Фридману и Леметру, тем, что вселенная в настоящее время растягивается или, иначе говоря, расширяется. Если принять такую гипотезу, то необходимо сразу же добавить, что это растяжение не может быть однородным (изотропным), т. е. что оно не может быть в каждый момент одинаковым во всех точках и для любого интервала длины (как в масштабах атома, когда речь идет о расстояниях порядка световой волны, так и в бесконечно большом). Действительно, в этом случае оно оставалось бы для нас совершенно незаметным, так как наши единицы длины растягивались бы точно в той же пропорции, что и длины, которые измеряются. Точно так же воображаемый микроскопический астроном, обитающий на поверхности мыльного пузыря, мог бы заметить убегание других пылинок лишь при использовании единицы длины, связанной с пылинкой, на которой он все время живет. Если бы он взял в качестве единицы длины расстояние между двумя соседними пылинками, то он не заметил бы увеличения размеров своего пузыря. Возвращаясь к нашей собственной вселенной и выражаясь несколько более точно, скажем, что если взять за единицу длины метр или величину, связанную со световым излучением какого-либо известного металла (например, длину волны красной линии излучения кадмия, мы не заметим ни растяжения поверхности Земли, ни растяжения солнечной системы, поскольку плотность материи здесь слишком велика по сравнению с плотностью материи во всей вселенной. Тенденция к расширению будет сдерживаться противоположными силами. Практически заметным будет лишь растяжение межгалактических расстояний. Следовательно, имеет место тот факт, что расширение вселенной совсем неощутимо в областях вблизи Земли, но становится весьма значительным в межгалактических пространствах. Именно этим объясняется характер того явления, которое мы наблюдаем.

В том виде, в каком мы ее изложили, теория расширения вселенной, несомненно, покажется многим читателям довольно неправдоподобной, и именно такое впечатление она произвела вначале на многих ученых. Сам Эддингтон, бывший одним из самых ревностных ее защитников, признавал со всей откровенностью:

«Теория, „растягивающейся“ вселенной является в некоторых отношениях настолько безрассудной, что мы конечно, боимся себя ею скомпрометировать. Она содержит элементы, априори настолько непонятные, что вера в нее с чьей-либо стороны меня могла бы почти возмутить, если бы только я сам в эту теорию не верил»

Эддингтон пытался, однако, дать весьма конкретное и поэтому понятное для всех объяснение расширения вселенной. В своем истолковании уравнений теории относительности, лежащих в основе теории Фридмана — Леметра, он говорит, что в них представлена наряду с ньютонианским притяжением сила космического отталкивания. Эта сила, пропорциональная расстоянию, практически неощутима сейчас в солнечной системе и даже в том местном скоплении звезд, куда входит Солнце. Она приобретает исключительное значение в случае больших расстояний, в частности, для различных спиральных туманностей. В то же время силы взаимного притяжения между галактиками становятся очень малыми вследствие очень больших расстояний между ними. Хотя это объяснение в некотором смысле вполне доходчиво, но оно, по существу, извращает истинный характер явления. Действительно, с одной стороны, оно достаточно лишь для факта постоянного расширения вселенной и остается беспомощным в не менее вероятном с точки зрения математических уравнений случае сжатия вселенной. С другой стороны, и это главное, оно прибегает к систематическому рассмотрению двух противоположных сил, что в корне противоречит релятивистскому представлению о вселенной и общей тенденции современной науки. Действительно, понятие силы конкретного происхождения (мускульная сила) все более и более представляется современным физикам как «метафизическое», поскольку оно связано с тенденцией свести к обычным человеческим действиям явления, весьма отличные по своим масштабам и природе. Эта позиция современных физиков согласуется, впрочем, с положениями диалектического материализма. Энгельс, защищая научный труд Гегеля, писал в предисловии ко второму изданию «Анти-Дюринга»:

«Что касается специально Гегеля, то он во многих отношениях стоит гораздо выше современных ему эмпириков, которые думали, что объяснили все необъясненные еще явления, подставив под них какую-нибудь силу — силу тяжести, плавательную силу, электрическую контактную силу и т. д., или же, где это никак не подходило, какое-нибудь неизвестное вещество: световое, тепловое, электрическое и т. д. Эти воображаемые вещества теперь можно считать устраненными, но та спекуляция силами, против которой боролся Гегель, появляется как забавный призрак, например, еще в 1869 г. в инсбрукской речи Гельмгольца».

Выступление Леметра и Эддингтона с идеями о творении

Как бы то ни было, эта новая теория позволяла снова выступить в защиту — на основе иных предпосылок — идеи о сотворении мира. Во главе этого нового наступления креационистов мы находим, разумеется, аббата Леметра, но прежде всего Эддингтона, религиозные и даже мистические настроения которого с особой силой проявились к концу его жизни.

Рассуждения этих креационистов весьма просты. Они утверждают, что вселенная не может пульсировать, т. е. что она всегда находилась в состоянии расширения и всегда будет расширяться. Но тогда, заглядывая в прошлое, можно заключить, что вселенная имела по мере удаления от настоящего времени все меньшие и меньшие размеры. Нам придется остановиться на таком моменте, когда «радиус вселенной» был почти равен нулю. Обратиться в нуль этот радиус, очевидно, не мог, следовательно, необходимо предположить, что данный момент и был моментом начала вселенной, моментом ее творения.

Исходя из скорости расширения в настоящее время, находят, что радиус вселенной должен был быть близок к нулю несколько миллиардов лет назад. Этот результат показался сначала полностью противоречащим другим вычислениям. Действительно, он был получен еще тогда, когда считалась справедливой длинная шкала времени и когда оценивали возраст звезд и галактик в триллионы лет. Но мы видели в гл. II, что более поздние работы заставили астрономов отказаться от длинной шкалы и принять, по крайней мере для звезд, короткую шкалу, в которой имеют дело как раз с миллиардами лет. С другой стороны, теория расширения вселенной приводила к выводу о более значительной концентрации звезд в прошлом, что позволило объяснить большую распространенность планетных систем (это было в то время, когда пользовалась успехом теория Джинса, объясняющая происхождение солнечной системы как следствие сближения двух звезд). Было, наконец, замечено, что исключительная плотность материи в эпоху минимального радиуса вселенной могла благоприятствовать образованию тяжелых химических элементов, т. е. элементов с большим атомным весом, имеющимся в звездах (теория Гамова). Действительно, присутствие этих элементов нельзя объяснить на основании одной лишь теории Бете, и многие астрономы полагают, что эти элементы существовали уже до того, как звезды начали свой эволюционный путь. Вся эта цепь фактов, которые кажутся согласующимися друг с другом (вскоре мы увидим, каков может быть настоящий их смысл), была, разумеется, использована приверженцами идеи о творении.

Относительно конкретного способа творения мнения религиозно настроенных сторонников теории расширяющейся вселенной более или менее отличаются друг от друга. Следует, правда, заметить, что в этих случаях речь идет, по существу, лишь о деталях где вступает в свои права научная осторожность. Основное же утверждение о неизбежной необходимости творения — всегда высказывалось с умилительной решимостью.

В своих первых работах сторонники идеи о расширении вселенной вообще полагали, что в начальный момент вселенная стала расширяться, потеряв внезапно равновесие и перейдя в неустойчивое состояние. Позднее аббат Леметр выдвинул гипотезу о том, что все материальные элементы, все вещество вселенной, существовали первоначально в виде единственного атома. Распад этого атома привел к возникновению вселенной и определил ее расширение: «Некоторые осколки (первоначального „атома-отца“. — П. Л.), сохранив способность распадаться, — писал Леметр, — образовали скопления звезд; механизм образования внегалактических туманностей из газового вещества, предложенный Джинсом, мог бы быть принят, если за газовые молекулы считать звезды, наполняющие пространство. К этому случаю вполне могут быть также применимы численные расчеты». Космические лучи являются по этой гипотезе результатом этого сверхрадиоактивного распада «атома-отца», после чего они начали свой «кругооборот» в пространстве. Вопрос о том, что же предшествовало распаду этого гигантского атома, Леметр, как и следовало ожидать, даже не хочет рассматривать.

Следует признать, что эта теория выглядит неправдоподобной и совершенно произвольной. Никакие данные современной науки не позволяют заключить о возможности существования подобного гигантского атома. Леметр отказывается, впрочем, от существования в этом первоначальном атоме внешних электронов; он его рассматривает как «находящийся в состоянии некоторого изотопа нейтрона». Но едва ли можно извлечь отсюда какой-то глубокий смысл, и вполне понятно, что Эддингтон высказывается более осторожно. Он начинает так:

«Соображения относительно общего начала всех вещей почти полностью ускользают из области науки. Мы не можем привести научные аргументы в пользу утверждения о том, что мир был создан именно данным способом, а не каким-либо другим. Но я полагал, что мы все обладаем в этом вопросе некоторым эстетическим чувством».

Эти заботы об эстетике показывают с самого начала, какова настоящая научная цена теории Эддингтона. Он уточняет несколько далее:

«Поскольку я не мог избегнуть этого вопроса о начале, мне представляется, что наиболее удовлетворительной теорией была бы та, в которой начало не являлось бы слишком неэстетичной внезапностью. Это условие может быть удовлетворено лишь во вселенной Эйнштейна, в которой все главные силы находятся в равновесии. Из этого следует, что первичное состояние вещей, как я его представляю, есть равномерное и исключительно редкое распределение протонов и электронов, заполняющих все пространство (сферическое) и остающееся почти в состоянии равновесия o в течение исключительно долгого времени вплоть до того момента, когда одержала верх естественная неустойчивость. Мы увидим далее, что можно вычислить плотность этого распределения; она соответствует почти одному протону и одному электрону на один литр. Но на протяжении длительного промежутка времени небольшие тенденции к нерегулярности накапливаются, и начинается эволюция».

Это объяснение выглядит несколько туманным. Джинс говоря о «руке бога», приводившей в движение эфир, был более откровенным… Эддингтон как будто не хочет рассматривать творение в чистом виде. Истинная причина этой двусмысленной позиции открывается в другой книге того же автора, весьма отличной по своему содержанию, поскольку она предназначена в основном для членов общества «Друзей» (квакеров), к которому принадлежал сам английский астроном.

«Я полагаю, что большинство из вас, — писал Эддингтон, адресуясь к „Друзьям“, — ни в какой мере не отвергает научное объяснение творения: возможно, что оно даже лучше прославит Бога, чем традиционное библейское сказание… Я не скажу, что те, кто желает освятить в некотором роде открытия науки, принимая их как новые признаки могущества Бога, неправы. Но их позиция иногда несколько раздражает ученого, поскольку она рассматривается им, как желание ограничить его дух свободного исследования лишь определенным способом объяснения. Это, по нашему мнению, нехороший метод для согласования научных космологических теорий и религиозных взглядов. Одно сравнение мне позволит, возможно, выразить наше чувство по этому поводу: деловой человек может вполне верить в то, что в его коммерческие дела вмешивается невидимая рука Провидения, так же как она участвует, впрочем, во всех перипетиях жизни, но он был бы изумлен, если бы ему предложили занести Провидение в актив своего баланса. По моему мнению, это не скептицизм, это известная щепетильность нашего ума, который толкает нас против идеи насыщения научных исследований религиозностью».

Но положение Эддингтона становится тогда очень затруднительным в книгах, где он претендует на сохранение видимой научности, как, например, в полупопулярной книге, откуда мы приводили выдержки относительно «эстетики» творения. Без труда можно понять, почему английский ученый старается намекнуть на божественное вмешательство, не говоря о нем явно и не слишком докучая этим читателю. Именно поэтому Эддингтон, возвращаясь к своей гипотезе об очень медленном образовании вселенной из равномерно распределенного вещества, приходит к следующим весьма туманным соображениям:

«Возможно, могут возразить, что если заглянуть достаточно далеко назад, то эта теория не освобождает нас по существу от внезапного начала. Вся вселенная должна появиться в одно мгновение, чтобы она могла затем принять равновесное состояние. Но моя точка зрения иная. По моему мнению, равномерность без какой-либо неоднородности и ничто — не отличаются друг от друга с философской точки зрения. Физической реальностью являются разнородность, события, изменения. Наша исходная гипотеза об однородной покоящейся среде является ничем иным, как упорядоченным изложением тенденции использовать в нашем аналитическом описании различимые объекты и события, историю которых мы намереваемся рассказывать. Поскольку речь идет о данных реальностях, теория имеет средства достичь цели, которые она перед собой ставит и дать объяснение незаметному и постепенному началу. Когда окончательно, вследствие термодинамического вырождения энергии, вселенная достигнет снова однородного состояния той же плотности, то это будет конец физической вселенной. Я не могу себе представит вселенную, отжившую свой век и печально прозябающую остаток вечности. То, что от нее остается, это есть лишь некоторые концепции, которые мы забыли сразу убрать, как только кончили ими пользоваться».

Как не подумать, читая эти странные «умозаключения», о вполне аналогичных рассуждениях немецкого философа Дюринга, которого около семидесяти пяти лет назад так справедливо и остроумно высмеял Энгельс за скрытый креационизм:

«Однако все противоречия и несообразности, — писал Энгельс, говоря о понятии времени у Дюринга, — представляют еще детскую забаву по сравнению с той путаницей, в которую впадает г. Дюринг со своим равным самому себе первоначальным состоянием мира. Если мир был некогда в таком состоянии, когда в нем не происходило абсолютно никакого изменения, то как он мог перейти от этого состояния к изменениям? То, что абсолютно лишено изменений, если оно еще вдобавок от века пребывает в таком состоянии, не может ни в каком случае само собой выйти из этого состояния, перейти в состояние движения и изменения. Стало быть, первый толчок, который привел мир в движение, должен был прийти извне, из потустороннего мира. Но „первый толчок“ есть, как известно, только другое выражение для обозначения бога. Г-н Дюринг, уверявший нас, что в своей мировой схематике он начисто разделался с богом и потусторонним миром, здесь сам же вводит их опять, более заостренными и углубленными, в натурфилософию».

Единственное различие (но весьма существенное) между Дюрингом и Эддингтоном состоит в том, что первый искренне верил в то, что он исключил всякое, даже неявное, вмешательство бога-творца, а второй, напротив, знал очень хорошо, что его рассуждения приведут читателя к мысли о божественном творении. Сам Эддингтон делает, однако, на этот счет лишь краткий намек в заключении.

«Вопрос о начале представляет, по-видимому, — заявляет он, — непреодолимые трудности, если мы открыто не признаем его относящимся к области сверхъестественного».

 

II. Внутренние противоречия предыдущих теорий

Как мы указывали в начале этой главы, можно подойти к критике теорий расширяющейся вселенной Эддингтона и Леметра двумя путями. Не останавливаясь сейчас на вопросе о правильности исходных положений этих теорий, мы покажем сначала внутренние противоречия последних. Мы увидим, что если предполагать существование конечной вселенной и реальность расширения этой вселенной, то ничто не может подтвердить идею о сотворении мира в определенный момент прошлого. К такой идее может привести лишь предвзятая точка зрения, возникшая под влиянием религиозных или идеалистических настроений.

Превращение вещества в излучение должно было бы привести вначале к сжатию вселенной

Первое затруднение, с которым встречаются сторонники теории расширяющейся вселенной, появляется благодаря существующему соотношению между расширением вселенной и превращением вещества в излучение. Мы уже указывали, что в конечной вселенной Эйнштейна свойства пространства-времени тесно связаны с содержащейся в нем материей. Но тогда перед теорией расширяющейся вселенной возникает вопрос, существо которого очень ясно передается в следующей интересной цитате из книги Поля Куде:

«Это представление о конечной вселенной, — писал он, — имеет весьма близкое отношение к изучению происхождения и исчезновения вещества и его превращения в излучение. Размеры вселенной тем больше, чем больше число атомов, содержащихся в нем, но они не изменяются в зависимости от количества излучения. Когда исчезает один атом, то размеры вселенной уменьшаются; наоборот, когда излучение рождает один атом, то размеры вселенной увеличиваются. Если идет речь об одном атоме водорода, то изменения объема вселенной составляют величину порядка 1 куб. метра и, возможно, даже более».

Теории Леметра полностью перевернули эту прежнюю точку зрения. Действительно, они заставляют допустить, что непрерывно рассеиваемая в пространстве энергия вследствие аннигиляции вещества звезд «поглощается на самом деле работой, которая требуется для адиабатического расширения вселенной». Если вселенная расширяется непрерывно, то это ведет к невозможности полного восстановления вещества благодаря превращениям излучения (возможно только частичное восстановление). Таким образом, мы далеки и даже очень далеки от постоянного возрождения миров, о котором мы говорили в предыдущей главе. В таком случае нам рисуется следующая картина будущего вселенной, несомненно, несколько удивительная, но довольно цельная: вещество превращается все более и более в излучение и энергия этого излучения идет лишь на непрерывное увеличение размеров вселенной. Энергия попросту рассеивается и угасает (фотоны, излученные звездами, совершают «кругооборот» во вселенной, постепенно теряя свою энергию).

К сожалению, положение становится более сложным, если возвращаться в прошлое и особенно, если мы хотим изучить более или менее подробно начальные условия в эпоху «творения», идея которого так дорога некоторым сторонникам теории расширяющейся вселенной. Подробное исследование первых работ о расширении вселенной показывает, что если вселенная находилась в таком начальном состоянии, как предполагают креационисты (материя и энергия были в покое), то «вначале» превращение вещества в излучение должно было бы привести не к расширению, а к сжатию вселенной. Как заметил сам Эддингтон, этот вызывающий сомнение пункт имелся в первых, работах Леметра. Конечно, бельгийский аббат посчитал разумным заменить эту неустойчивую вселенную Эйнштейна своим знаменитым первичным «атомом-отцом». Но несмотря на вздохи облегчения, которыми сопровождалась эта находка, следует признать, что соображения о начальном моменте остаются не менее туманными, чем они были в первой гипотезе.

Правильная математическая постановка проблемы

Снова, как и в случае использования принципа Карно, мы приходим к противоречиям, которые кажутся неразрешимыми. Если мы познакомимся несколько ближе с источником этих противоречий, мы видим, что они возникают вследствие более или менее открытого принятия идеи о необходимости творения или, по крайней мере, некоторого «начала вещей мира». Пока вопрос об этом начале остается в стороне, эти гипотезы, несмотря на свою рискованность, не вызывают особых сомнений, но как только мы приближаемся к таинственной эпохе «начала вселенной», все рушится. Но нельзя не напомнить о том, что математические теории, использованные Леметром и Эддингтоном, никак не приводят к обязательному выводу о том, что расширение вселенной должно продолжаться вечно или что оно должно происходить после начального состояния покоя.

Как было показано в работах голландского ученого де Ситтера, теория Леметра с точки зрения математики является в действительности лишь одним из возможных решений проблемы расширения вселенной. Существуют многие другие решения, которые в равной степени можно обосновать. Согласно одному из них вселенная будет все время находиться в состоянии расширения, и она имела несколько миллиардов лет назад минимальные размеры. Однако эта эпоха предшествовала сжатию бесконечно рассеянной среды. В другом решении, еще более интересном, поскольку оно, в отличие от предыдущего, не имеет дела со столь необычным состоянием материи в прошлом, вселенная колеблется (осциллирует), попеременно расширяясь и сжимаясь. Ее радиус достигал минимума несколько миллиардов лет тому назад и с тех пор непрерывно увеличивается, но это увеличение прекратится после достижения некоторого максимума, после чего вселенная снова начнет сжиматься и ее радиус снова примет минимальное значение и так далее. Тому циклу, в котором мы участвуем в настоящее время, предшествовало бесконечное число аналогичных циклов.

В этой гипотезе, которая гораздо меньше изучалась, но тем не менее гораздо больше критиковалась (без достаточных научных оснований), чем гипотеза Леметра, знаменитое «начало вселенной» становится просто моментом начала одного из циклов в развитии вселенной, и уже нет речи о рождении движения из покоя в этот момент или о выбросе материи во всех направлениях благодаря какому-то таинственному колдовству.

Один из немногих ученых, занимающихся гипотезой «осциллирующей вселенной», американский специалист в области термодинамики и теории относительности Толмен (один из тех, кто работал над созданием первой атомной бомбы), писал:

«Мы не имеем сейчас права утверждать, что вселенная была сотворена в некоторый определенный момент прошлого».

 

III. Истинная цена поспешных доказательств

Таким образом, даже если стать на тот путь, на котором находятся Леметр и Эддингтон, то «рождение» вселенной никак не является неизбежной необходимостью; существуют многие другие решения проблемы расширения вселенной, не предполагающие никакого ограничения времени в прошлом. Мы продолжим сейчас критику далее, рассматривая детальнее наблюдательные факты и основные предположения, на которых основывается теория расширяющейся вселенной. Сторонники этой теории опираются главным образом на следующие положения: а) наблюдаемое удаление галактик является реальным, б) вселенная конечна в пространстве, и все галактики во вселенной удаляются друг от друга по одному и тому же закону, в) многочисленные результаты, полученные другими путями, согласуются по величине промежутков времени с результатами, получаемыми в теории расширения вселенной. Рассмотрим последовательно все эти пункты.

Является ли реальным «разбегание» галактик?

Этот вопрос приходит на ум прежде всего. Действительно, представляется возможным, что не перемещения источников света, а какие-то другие явления изменяют свойства световых лучей во время их долгого, длящегося тысячи и миллионы лет пути от далеких спиральных туманностей до пашей Земли.

Некоторые специалисты по теории относительности (например, де Ситтер) уже очень давно предлагали теории строения вселенной, согласно которым свет, идущий от далеких небесных светил, должен испытывать изменения, возрастающие с расстоянием до этих светил. Впрочем, именно с целью проверки этих теорий, в которых спиральные туманности не рассматривались как удаляющиеся от нас, астрономы и предприняли систематическое следование излучения туманностей. Однако оказалось, что эти теории могут объяснить лишь незначительную долю наблюдаемого эффекта.

Другие физики пытались найти совершенно другое объяснение. Они также считали спиральные туманности неподвижными по отношению к нам и полагали, что свет, излучаемый ими, претерпевает на своем пути изменения. Одни думали, что световые лучи, проходя сквозь космические облака, передают атомам некоторую часть своей энергии, быть может, благодаря гравитационному эффекту или вследствие столкновений. Другие ученые утверждали, что свет, излучаемый туманностью, должен затрачивать некоторую часть своей энергии на преодоление притяжения со стороны этой самой туманности.

Все эти теории приводили к эффекту, пропорциональному расстоянию и, следовательно, соответствовали наблюдениям. С точки зрения эволюции вселенной наиболее интересна та теория, в которой предполагалось, что фотоны сталкиваются с атомами, рассеянными в межгалактическом пространстве и передают им часть своей энергии. Можно было бы тогда предположить, что эта передаваемая энергия идет на восстановление вещества из излучения в соответствие со схемой, нарисованной нами в предыдущей главе. Тогда «видимое» разбегание галактик могло бы рассматриваться как экспериментальное подтверждение «воссоздания вещества» в «пустоте» межзвездного пространства.

К сожалению, лабораторные исследования с целью проверки этой теории показали, что при столкновении фотона с электроном вместе с уменьшением энергии фотона происходит и изменение направления его движения (эффект Комптона). Отсюда следует, что если бы свет, посылаемый спиральными туманностями, испытывал по пути к нам изменение вследствие подобных столкновений фотонов и электронов, то мы не могли бы наблюдать спиральные туманности как отдельные объекты на небе. В самом деле, фотоны, отклонившись от своих первоначальных путей, могли бы приходить к нам не только по направлению от излучившего их объекта, но и по любым другим направлениям. Отсюда, конечно, не следует, что в межгалактическом пространстве не происходит столкновений фотонов и электронов. Напротив, подобные столкновения вполне правдоподобны, но они не могут объяснить наблюдаемые свойства излучения далеких галактик. Следовательно, возможно, что за счет энергии фотонов образуются в межзвездном пространстве более или менее сложные атомы, но это явление, по всей видимости, не имеет никакого отношения к рассматриваемому эффекту разбегания галактик.

Что касается двух других предлагавшихся объяснений, которые основываются на гравитационных эффектах (изменение фотонов, рассмотренное А. Ф. Богородским, или влияние галактик, мимо которых идет световой луч), то они, по-видимому, не могут быть приняты в настоящее время, так как отсутствуют экспериментальные доказательства этих, вероятно, слишком слабых эффектов.

Метод Хаббла

Представляется возможным, по крайней мере теоретически, проверить реальность разбегания галактик с помощью наблюдений. Этот метод был разработан Хабблом (которому и принадлежит открытие красного смещения) в сотрудничестве с Толменом.

Принцип, на котором основан этот метод, довольно прост. Известно, что свет образован фотонами и что тела выглядят тем более яркими, чем больше приходит к нам фотонов за один и тот же промежуток времени (например, за одну секунду). Если тело приближается к нам или если мы приближаемся к нему, то мы движемся навстречу фотонам, излучаемым этим телом, и в одну секунду нас достигает большее число фотонов, чем в том случае, когда мы оставались бы неподвижными по отношению к источнику света. Если, напротив, тело удаляется от нас, или мы сами удаляемся от него, то нас достигает за одну секунду меньшее количество фотонов, а если тело удаляется от нас со скоростью света, то к нам не придет ни один фотон. Точно так же путник, наблюдая проходящую колонну демонстрантов, сможет увидеть за одно и то же время меньше или больше людей в зависимости от того, идет ли он сам в том же направлении, в котором движется демонстрация (конечно, более медленно, поскольку в ином случае сравнение не имеет смысла), остается на месте или идет в противоположном направлении.

Отсюда следует, что если спиральные туманности действительно удаляются от нас, то их свет должен быть не только более красным, но также и менее интенсивным. Из двух одинаковых галактик, расположенных на одном и том же расстоянии от нас, та галактика, расстояние до которой остается неизменным, будет казаться более яркой, чем та, которая удаляется. Следовательно, если гипотеза о разбегании галактик соответствует действительности, то число очень ярких на вид галактик должно уменьшаться с расстоянием быстрее, чем в случае ошибочности этой гипотезы; наоборот, число галактик, становящихся невидимыми, должно расти (само собой разумеется, при условии, что в наблюдаемой части пространства распределение туманностей по их собственной яркости в среднем равномерно). Таким образом, должен был бы иметь место дополнительный эффект уменьшения плотности распределения видимых галактик с расстоянием. К несчастью, другие причины, связанные с покраснением света и действующие независимо от того, расширяется или не расширяется вселенная, приводят к эффектам уменьшения плотности видимого распределения того же самого порядка, и это затрудняет измерения.

Первые результаты, полученные этим методом в 1936 г. Хабблом, привели к противоречию с релятивистской теорией расширения вселенной. Само собой разумеется, эти результаты, поскольку они подрывали сами основы теории расширения, подверглись сильной критике. Сторонники Эддингтона и Леметра подчеркивали и безосновательно преувеличивали трудности наблюдений и их неточность. Конечно, было бы очень желательно провести эти исследования заново с учетом всех собранных с тех пор наблюдательных данных. Но во всяком случае, факт, что тот же самый астроном, наблюдения которого легли в основу теорий расширения вселенной, пришел на основании первых результатов, полученных таким экспериментальным путем, к отрицанию этих теорий, является весьма показательным.

Замечание Шацмана

Недавно французский астроном Шацман обнаружил в теориях расширяющейся вселенной другое противоречие, близкое к тому, о котором говорил Хаббл.

Расширение вселенной является одинаковым по всем направлениям и строго пропорциональным расстоянию лишь в том случае, если предположить, что распределение материи в пространстве само является равномерным. Но последнее далеко не соответствует действительности, поскольку наблюдаются значительные концентрации материи в отдельных областях, именно там, где находятся скопления галактик. Поскольку размеры некоторых скоплений галактик достигают десятков миллионов световых лет и имеют тот же порядок величины, что и знаменитый «радиус вселенной», то существование подобных скоплений должно вызывать в явлении расширения значительные неправильности. Эффект покраснения света, идущего от далеких спиральных туманностей, не должен быть в этом случае строго пропорциональным расстоянию в каком угодно направлении, но обязан испытывать заметные отклонения от закона пропорциональности. Однако наблюдения не обнаружили подобные отклонения и естественно сделать вывод о том, что покраснение света далеких галактик имеет своей причиной не расширение, а нечто другое.

Является ли необходимой схема конечной и неограниченной вселенной?

Этот вопрос, возможно, наиболее важный во всей этой дискуссии, часто освещается в популярных книгах плохо. Действительно, в них дают читателю понять, или даже прямо утверждают о том, что конечность пространства есть обязательное следствие общей теории относительности Эйнштейна. Но это отнюдь не так. Как мы уже говорили выше, необходимо различать в трудах Эйнштейна, с одной стороны, фундаментальные законы, выводимые в специальной и общей теориях относительности, которые составляют бесспорное приобретение современной физики и, с другой стороны, модели вселенной, претендующие на полное описание физического мира и являющиеся на самом деле более или менее произвольными созданиями ума. Сам Эйнштейн предлагал несколько моделей вселенной, из которых одна была бесконечной как в пространстве, так и во времени (см. замечание на стр. 194). Выбор модели конечной и неограниченной вселенной, который был сделан столь многими учеными-релятивистами, является в значительной мере субъективным, и он не мог носить иной характер, поскольку сами же эти ученые признают, что наши знания распространяются лишь на часть вселенной и ни в какой мере не на всю вселенную в целом, даже если считать ее конечной. Некоторые астрономы, являющиеся также сторонниками идеи о сотворении, как, например, Милн, отказались от теории конечной вселенной с целью дать другое объяснение разбеганию галактик, рассматриваемому как реальное и происходящее в бесконечном пространстве.

Первая теория Милна: взрыв вселенной

Как мы только что сказали, Милн возвратился к обычному представлению о бесконечности пространства. В своей первой теории он предполагал, что несколько миллиардов лет назад все молекулы вселенной были собраны в очень маленьком объеме. Можно сказать, что они были как бы заключены в некотором закрытом сосуде. Эти молекулы вели себя как молекулы газа, находящегося в аналогичных условиях. Некоторые обладали более быстрым, другие более медленным движением. В какой-то момент они получили возможность сразу вырваться наружу из того объема, где они были собраны (продолжая сравнение, скажем, что стенки сосуда чудесным образом внезапно исчезли). Милн, пренебрегая всеми силами притяжения, а также постоянными столкновениями между различными молекулами, замечает, что после такого «взрыва» молекулы, которые имели наибольшую скорость в начальный момент, будут удаляться от первоначального объема быстрее всего, причем это удаление будет пропорционально скорости. Наоборот, скорость различных молекул будет пропорциональна удаленности последних от первоначального объема.

Ряд других предположений Милна уточняют эту схему. Некоторые близкие друг к другу молекулы в конце концов группируются (здесь Мили прибегает к силам притяжения) и образуют звезды. Соседние звезды также объединяются в группы (что противоречит существующим сейчас теориям) и образуют галактики, которые позднее дают начало скоплениям галактик. Естественно, что скорости этих галактик сохраняют характер скоростей молекул, из которых галактики состоят, и остаются пропорциональными расстояниям, отделяющим галактику от исходного пункта.

Наконец, Милн с помощью целого ряда других гипотез старается показать, что явление разбегания галактик должно выглядеть одинаково, независимо от того, на какой галактике будет находиться наблюдатель, что доказывается также в теориях Леметра и Эддингтона.

Эта теория, приобретшая после своего появления (1933) некоторую популярность, представляет интерес с той точки зрения, что она показывает возможность объяснения эффекта бегства галактик, в котором нет места понятию о расширении вселенной. Но следует, конечно, сказать, что далеко не ясно, какой выигрыш мы получаем, принимая идею Милна, поскольку она содержит набор новых и часто противоречивых гипотез (в частности, относительно сил притяжения). Все это Милн делает для того, чтобы перейти к рассмотрению начального момента (с которого началось творение), гораздо более необычного, чем все, что могли изобрести до настоящего времени. Милн отказывается обсуждать, почему его вселенная «взорвалась», и что могло происходить «ранее». Впрочем, он сам и не мог, собственно говоря, ставить такой вопрос, поскольку этот взрыв служит для него исходным пунктом.

Добавим, что, отвечая своим многочисленным критикам, Милн часто подправлял свои гипотезы. В частности, он ввел в дальнейшем одновременное рассмотрение двух систем времени, благодаря чему «начальный момент», в который вселенная, по предположению, взорвалась, может быть отодвинут назад на бесконечное число лет. Мы возвратимся к этим идеям Милна в следующей главе.

Является ли «разбегание» галактик повсеместным?

Если для объяснения эффекта удаления далеких галактик нет необходимости в предположении конечности пространства, то тем менее необходимо предполагать, что явление, наблюдаемое в пределах нескольких сотен миллионов световых лет от нас, имеет место для всех без исключения галактик, могущих существовать в неизведанных областях вселенной. Мы встречаемся здесь, как и в случае построения теории «тепловой смерти» вселенной, с произвольным и незаконным обобщением на всю вселенную закона, установленного лишь для ограниченной области вокруг Земли.

К тому же, если посмотреть внимательнее на результаты, полученные при изучении спиральных туманностей, то можно заметить, что наблюдения (впрочем, согласующиеся) относятся лишь к сотне далеких галактик. Но ведь их насчитывают сейчас сотнями миллионов. Поэтому нельзя быть даже уверенным, что этот закон справедлив для всех спиральных туманностей, которые могут наблюдаться. Возможно, что более многочисленные наблюдения позволят открыть галактики, не повинующиеся этому закону или даже далекие скопления галактик, находящиеся в состоянии сжатия. Но даже и в том случае, если бы этот закон оставался справедливым во всей области доступной наблюдениям, то и тогда было бы более осторожным с научной точки зрения предположить, что он может не иметь места на расстоянии, превышающем некоторый предел, например, за пределами Метагалактики, к которой мы принадлежим.

Мнимое совпадение возраста небесных тел

Другой аргумент, часто выдвигаемый сторонниками теории расширяющейся вселенной, заключается в удивительном совпадении возраста различных небесных тел, что якобы доказывает одновременность их рождения. Но это совпадение далеко не столь полное, каким иногда его стараются представить.

Несомненно, что возраст как галактики в целом, так и планет солнечной системы оценивается числом лет, заключенным между тремя и пятью миллиардами. Но это согласие, являющееся вполне естественным, если предположить, следуя В. Г. Фесенкову, что планеты формируются вскоре после Солнца в волокнистых туманностях рождающейся галактики, не имеет уже места, если мы сравниваем между собой возраст различных звезд или различных галактик.

Действительно, как мы видели в гл. V, открытия Амбарцумяна позволили сделать неопровержимый вывод о том, что звезды рождаются в Галактике все время. Следовательно, ни в какой мере нельзя отныне претендовать на справедливость идеи о почти одновременном рождении всех небесных тел. Данные наблюдений, которыми сторонники теории расширения слишком часто пренебрегают в угоду чисто формальным теориям, находятся в полном противоречии с этой идеей. Но кроме того, как мы уже заметили на стр. 55, нельзя считать достоверным и то, что фактический возраст нашей Галактики составляет лишь несколько миллиардов лет.

Если говорить также о возрасте спиральных туманностей, то в предыдущей главе мы указывали, что галактики эволюционируют во времени. Но этот факт, принимаемый всеми, влечет за собой вывод о существенном различии в возрасте между старыми и молодыми галактиками. Вполне правдоподобно, что сферические галактики, являющиеся самыми старыми, имеют возраст, равный или превышающий максимальную продолжительность жизни звезд, т. е. превышающий по крайней мере в 3–4 раза возраст нашей Галактики, относящейся к молодым. Сторонники же теории расширения окончательно принимают за возраст всей вселенной, — впрочем, не без затруднений и после вычислений более или менее дискуссионного характера, — возраст нашей Галактики, оцененный довольно произвольно в несколько миллиардов лет. Мы уже не говорим о том, что возраст скоплений галактик согласно исследованиям Цвикки, значительно больше.

Непрерывное «творение»

Рассмотрение других поспешных доводов в пользу теории расширения приносит нам новые сюрпризы. Например, теория Гамова, претендующая на объяснение происхождения тяжелых элементов в ту начальную эпоху, когда материя находилась в условиях очень большого давления и температуры, далеко не полностью удовлетворяет всех других сторонников теории расширения вселенной. Многие из них, как например, ван Альбада, приходят к заключению, противоречащему основной гипотезе Леметра, и считают, что тяжелые элементы должны были образоваться не при высокой, а при низкой температуре.

Само собой разумеется, что ввиду наличия всех этих противоречий многочисленные сторонники теории расширения вселенной искали новых путей объяснений наблюдаемых фактов. Но увлекающий поток идеализма в капиталистических странах настолько силен, что эти новые теории являются еще более нелепыми, еще более далекими от науки, чем те, которые они должны заменить.

Так, например, английский астроном Хойл с целью избежать противоречий, связанных с возрастом различных небесных тел, и избавиться от странной картины вселенной, становящейся со временем все менее и менее плотной, создал модель расширяющейся вселенной, в которой средняя плотность остается постоянной. Хойл отказался от гипотезы конечного и неограниченного пространства, а также от гипотезы начального момента и возвратился к представлению о бесконечности вселенной в пространстве и во времени (это единственный признак здравого смысла во всей его теории). Но ему также было необходимо предположить, что материя, покидающая данную область пространства, заменяется все время новой материей, вновь возникающей и представляющей материал для образования новых галактик. Мы встречаемся, правда, в другой форме, с гипотезой, уже высказанной Джинсом по поводу происхождения спиральных рукавов больших туманностей.

«Люди иногда спрашивают, — добавляет Хойл, — откуда берется эта материя. Ниоткуда! Материя довольствуется тем, что возникает в готовом виде. В некоторый данный момент различные атомы, составляющие материю, не существуют и через мгновение они уже существуют. Я должен признаться, что эта идея может показаться странной… Но ведь все представления о творении являются странными. В прежних теориях предполагали, что в некоторый данный момент возникало целиком все количество материи во вселенной и весь процесс творения представлялся как гигантский взрыв. Что касается меня, то я нахожу эту идею гораздо более странной, чем идею о непрерывном творении…»

Мы посчитали нужным привести эту выдержку почти целиком, поскольку здесь отчетливо виден (и, может быть, гораздо яснее, чем у Эддингтона) исключительно субъективный характер выбора гипотез.

Что касается скорости этого «непрерывного творения», то она довольно мала: один атом за год в объеме, равном, как говорит Хойл, объему собора Св. Павла в Лондоне. Но, по-видимому, эта весьма скромная производительность божественной машины вполне достаточна для того, чтобы успокоить Хойла относительно будущего и дать ему возможность нарисовать в своем воображении мирную картину вселенной, устоявшейся, несмотря на свое расширение, в той же мере, как и тот вечный капитализм, установление которого в наш неспокойный век было бы желательным для каждого добропорядочного английского буржуа.

Хойл, увы, не единственный из тех, кто занимается вопросом об этом странном непрерывном творении. Аналогичные теории построены в Англии Бонди и Голдом, в Германии же Иордан, основываясь на мистических соображениях относительно каких-то целочисленных соотношений между мировыми постоянными, сделал «открытие», что материя рождается самопроизвольно (за счет потенциальной энергии всей вселенной) в форме сверхгигантских звезд.

 

IV. Правильная научная позиция

К счастью, не все ученые идут по пути Хойла или Иордана и не полагают, как это делают последние, что от противоречий теорий Леметра можно избавиться лишь с помощью изобретений нового способа «творения», еще более экстравагантного, чем те, которые были задуманы их предшественниками. Но задачи желающих бороться против формализма и идеализма в капиталистических странах становятся все более и более сложными и, если не говорить о некоторых мужественных попытках, очень часто изолированных, то борьба против идеалистических теорий расширяющейся вселенной и за истинно научное отношение к проблемам, возникающим при исследовании далеких галактик, развернулась в СССР*, как мы уже подчеркивали в гл. V.

Исключительно острым оружием служит в этой борьбе диалектический материализм — наиболее широкое философское обобщение результатов науки.

Конференция по идеологическим вопросам астрономии, состоявшаяся в ноябре 1948 г. в Ленинграде, о которой мы уже говорили в связи с современными космогоническими исследованиями, показала, что «современные гипотезы основываются на данных, относящихся к внешнему виду туманностей, внутренние же закономерности нам неизвестны».

Следовательно, необходимо увеличить количество наших наблюдений и еще больше и глубже изучать законы эволюции звезд и галактик. Метод, предложенный Хабблом, позволит (возможно, при условии достаточного увеличения числа наблюдений и их точности) окончательно решить этот вопрос. Но не исключена возможность, что будет открыт какой-то новый эффект, пропорциональный расстоянию, позволяющий объяснить покраснение фотонов на их пути в межзвездном пространстве.

Только с того момента, когда исследования позволят дать окончательный ответ о реальности «разбегания» галактик, наука сможет взяться за общую проблему эволюции всей совокупности небесных тел в той части вселенной, которую мы можем наблюдать, и в течение промежутков времени, превышающих возраст самых старых звезд.

Если будет признана реальность расширения, то это расширение следует рассматривать как местное явление (как бы ни были велики его масштабы), свойственное всей Метагалактике (в определении, принимаемом советскими учеными) или некоторой ее части, и надо будет искать, не имеются ли в других частях вселенной скоплений галактик, находящихся в состоянии сжатия. Мы встречаемся здесь с идеей, выраженной еще Толменом незадолго до его смерти:

«Я полагаю, — писал Толмен, — что наше внимание должно быть главным образом уделено не приблизительной пропорциональности красного смещения расстоянию, не приблизительно равномерному распределению галактик, но именно отклонениям, которые мы здесь находим. Возможно, что мы даже обнаружим области вселенной, где имеет место скорее сжатие, чем расширение. Во всяком случае, я на это надеюсь».

Эти местные сжатия материи (происходящие также в очень больших масштабах) в некоторых областях пространства могли бы объяснить (по крайней мере частично) образование тяжелых элементов и восстановление вещества. Если, напротив, «разбегание» галактик окажется лишь видимым явлением, то надо будет решать проблему о том, как в более «спокойной» вселенной, т. е. такой, где нет гигантских местных расширений или сжатий, соответствующих предыдущей гипотезе, излучение может превращаться в вещество.