Лекция 1. 34 страница

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА В ЕЕ РАЗВИТИИ

щ Модели развития научного знания

Существуют три основные концепции развития фундаментальной науки и миропредставления. Пер­вая из них, радикальная, принадлежит Ф. Бэкону и Г. Галилею.

Согласно их точке зрения, научный взгляд на мир возник как результат революционной победы над суе­верием и предрассудками. Декарт дополнил этот под­ход тезисами о существовании абсолютных истин и абсолютно достоверного знания, которое будучи однаж­ды научным путем получено, ничем уже не может быть поколеблено.

П. Дюгем предположил альтернативную контину-алистскую концепцию, смысл которой состоит в том, что каждое достижение науки может быть модифици­ровано. Нельзя, например, опровергнуть теорию элек-тромагнитизма Максвелла, но можно видоизменить ее математический аппарат, расширив границы приме­нимости теории.

Если концепцию Бэкона можно назвать концеп­цией одной единственной научной революции, а кон­цепцию Дюгема концепцией реформ, то третья точка зрения, высказанная К. Поппером, — это концепция перманентной революции. В другом варианте эту кон­цепцию предложил Т. Кун, которому принадлежит идея развития науки на основе смены общенаучных пара­дигм. Согласно его идеям, существуют периоды нор­мальной науки, когда новые исследования опираются на прочный фундамент ранее полученных основных достижений. Комплекс этих фундаментальных научных достижений Кун предложил назвать парадигмой. По мере накопления принципиально новых открытий воз­никает необходимость в пересмотре и видоизменении парадигмы, и тогда происходит научная революция. Парадигма в течение определенного времени служит теоретической основой научного миропредставления.

Сопоставляя все три концепции, Дж. Агасси при­ходит к выводу, что для построения наиболее адекват­ной картины мира и для научного творчества наибо­лее предпочтителен третий подход, соответствующий идеологии фаллибилизма. Известный специалист по космологии Дж. Уилер выразил эту идеологию в па­радоксальной форме: «Мы знаем, что все наши тео­рии ошибочны. Задача, следовательно, состоите том, чтобы делать ошибки раньше». Согласно этой точке зрения, хорошая картина мира обязательно является рискованной и может быть подвергнута опроверже­нию, уточнению и исправлению. Вместе с тем край­ности фаллибиллизма уравновешиваются реализмом, смысл которого состоит в допущении, что теория за­щищена покровом эмпирических данных.

Воспользуемся концепцией научных революций и сменой космологических парадигм для анализа эволю­ции научной картины мира.

1 Натурфилософская парадигма

Картина мира, соответствующая этой парадигме, возникла в античной Греции. Первая концепция Все­ленной, доступная интеллектуалу, принадлежит Пифа­гору. Оценивая его роль в формировании миропред­ставления, которое можно назвать научным, Б. Рассел писал: «Пифагор по своему влиянию как на древнюю, так и на современную эпоху... является одним из наи­более значительных людей, когда-либо живших на зем­ле, — ив том случае, когда он был мудр, и в том, когда он ошибался». Пифагору принадлежат идеи всеобщей

Гармонии Вселенной, которую он назвал космосом (cosmos по-гречески означает Мир, Вселенная, Гармо­ния) и предположил, что его структура определяется соотношениями чисел. Математический характер име­ла и космогония Пифагора.

В античной философии сформировались две шко­лы, по-разному описывавшие структуру мироздания. Сторонники Ионийской школы (Фалес, Анаксимандр, Гераклит) утверждали, что существует два слоя реаль­ности — физический, который воспринимается наши­ми чувствами, и метафизический, который лежит за пределами наших восприятий и составляет «архэ» — скрытую сущность вещей. По мнению представителей другой школы — эпеатов (Парменид), абсолютно лишь вечное и неизменное, единое. Что же касается види­мых явлений, то это химера, порожденная обманом наших чувств.

На следующем этапе развития античного миро­представления были оформлены две альтернативные картины мира. Первая из них принадлежит Левкиппу и Демокриту, которые считали, что в мире нет ничего, кроме разнообразных атомов и пустоты. Отсутствует и какая-либо свобода воли или выбор, т. к. все происхо­дящее однозначно предопределено движениями ато­мов, в мире нет ничего случайного. Другая космологи­ческая модель разработана Платоном, утверждавшим, что действительный мир — это идеи, а все видимое и воспринимаемое чувствами лишь их отражение, одна­ко же — вполне реальное. Таким образом, концепция мироздания Платона дуалистична: истинный мир со­вершенен, вечен и неизменен и может быть постигнут лишь работой ума, а материальный подлунный мир в отличие от него подвержен изменениям и распаду. Единственной причиной космоса является Демиург, творец. Основной принцип космологии Платона — математическая Гармония, порядок, красота.

Вершиной античной натурфилософии явилась кос­мология Аристотеля. Если у Платона субстанцией, т. е. истинной реальностью, считались эйдосы, идеи, то в учении Аристотеля роль субстанции отводилась види­мому миру. Учение Аристотеля о мироздании изложе­но в двух книгах — «Метафизике» и «Физике». Первая посвящена исследованию высших причин космоса, т. е. всего вечного, бестелесного, неподвижного. Предметом второй является природа, материальный мир — види­мый, текучий, подверженный законам случая.

Как снять фундаментальное противоречие между обоими пластами реальности? Чтобы решить эту про­блему, Аристотель вводит два рода бытия — возмож­ное и действительное. Первое — это материя, которая в первозданном состоянии напоминает хаос, второе — форма, ее воздействие на материю сообщает ей пред­метное бытие, движение, доступное опыту. Таким об­разом, потенциально возможное превращается в акту­альную реальность под причинным воздействием фор­мы. Механизм этого воздействия Аристотель называл энтелехией. Придуманную им концепцию мироздания называют гилеоморфизмом (от греческих слов hyle — материя, morphe — форма). Природа, понимаемая как совокупность вещей и энтелехии, — это уже не хаос, а гармоничный космос.

Космография античности практически полностью гелиоцентрична, единственным исключением явилось учение Аристарха Самосского, который поместил в центр мира не Землю, а Солнце. Однако греческая натурфилософия не восприняла его идей, в частности потому, что в его гелиоцентрической системе оказалось затруднительным объяснить обратное движение пла­нет. Кроме того, гелиоцентрическая система противо­речила физике Аристотеля. С этой задачей, с помощью введения эпициклов, легко справился Клавдий Птоле­мей в своей геоцентрической системе мироздания.

1 Механическая картина мира

Натурфилософская система Аристотеля оставалась основой общепризнанной картины мира на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI в. Фома Аквинский объе­динил систему Аристотеля с христианской философи­ей. И лишь в эпоху Возрождения большинство филосо­фов стало отдавать пальму первенства Платону.

Наступившая в XVI — XVII вв. новая историческая эпоха поставила в центр научных интересов астроно­мию и астрологию. В развитии первой нуждались мо­реплаватели, требовалось также уточнить календарь — расчет дней равноденствия, пасхалий, разобраться с вопросом об угловых размерах Луны и т. п. Что каса­ется астрологии, то в этот век, когда все были суевер­ны, ее услуги пользовались большим спросом.

За решение первой задачи взялся Н. Коперник, который в своей книге «De Revolutionibus orbium coelestium» («Об обращении небесных сфер») обосно­вал гелиоцентрическую систему мира. «В таком вели­колепнейшем храме, — писал он, — кто мог бы поме­стить этот светильник в другом лучшем месте, как не в том, откуда он может одновременно все освещать. Конечно, именно так Солнце, как бы восседая на цар­ском троне, правит обходящей вокруг него семьей светил». Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг Солнца потребова­ли внести серьезные изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечность (бес­конечная делимость), но была неприемлема бесконеч­ность актуальная («бесконечность большого тела»).

«Великий круг», орбита Земли,— писал Копер­ник,— по отношению к звездной сфере подобен точке. «До каких пор распространяется эта необъяснимость, неизвестно», — уточнял свой вывод Коперник.

В расхождении с физикой Аристотеля современни­ки увидели слабость системы мира Коперника. Позже эта слабость обернулась силой, т. к. послужила одной из предпосылок смены физической парадигмы. В мировоз­зренческом смысле система Коперника знаменовала освобождение науки от теологии, а также означала воз­врат от Аристотеля к Пифагору и Платону.

Над развитием идей Коперника о бесконечности Вселенной думали Николай Кузанский и Джордано Бруно. У Вселенной нет центра, — писал Кузанский, — она потенциально бесконечна. Дж. Бруно сделал сле­дующий шаг и заявил, что Вселенная бесконечна акту­ально, а мир и Бог — это одно и тоже. Не нужна, со­гласно Бруно, и гипотеза Аристотеля о различии мате­рии и формы — это также одно и то же. Но прославила Бруно на века другая идея — концепция множествен­ности обитаемых миров.

Ученый мир долго не мог принять систему Коперни­ка. Тихо де Браге придумал собственную систему мира, поместив в центр Вселенной Землю и заставив крутить­ся вокруг нее Луну и Солнце, вокруг которого враща­лись все остальные планеты. Стремясь опровергнуть Коперника, Браге полжизни потратил на то, чтобы соста­вить новые звездные таблицы, более точные, чем у Пто­лемея. Уже после его смерти И. Кеплер, используя эти таблицы, открыл свои законы движения планет вокруг Солнца. Это было очередное торжество идей Коперника.

Галилео Галилей был первым ученым, который посмотрел на небо через телескоп, или perspicilium, подзорную трубу, как он его называл. Это позволило ему сделать много открытий, обогативших астрономию: спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна. Млечный путь оказался множеством звезд. В 1572 г. Галилей наблюдал вспышку сверхно­вой звезды и тем самым доказал, что звезды не вечны.

Рождение философии Нового времени связывают с именем Рене Декарта.

Фундаментальный принцип научного познания мира, согласно Декарту, состоит в том, что наука долж­на не просто устанавливать законы реального мира, но и находить причины всех явлений природы. Весь мир, по Декарту, — machina mundi, это сложнейший меха­низм, созданный величайшим мастером — Богом. По­знание мира сводится поэтому к конструированию его подобия на основе умозрительных гипотез и с помощью математической теории. Если Платон утверждал, что точную науку о природе создать невозможно, то Декарт провозгласил прямо противоположное: математика — самая достоверная из наук, она — основа физики.

Образ мира у Декарта дуалистичен: существует протяженный мир вещей и предметов, res extensa и res cogitans — непротяженный и неделимый мир духа, сознания. Источником движения в мире является Бог.

Вершина механистического мировоззрения — си­стема мира, построенная Исааком Ньютоном и описан­ная в его главной книге «Philosophia Naturalis Principia Mathematica» («Математические начала натуральной философии»), опубликованной в 1686 г. В основе кон­цепции мироздания Декарта лежала гипотетическая физика, иными словами, предположения, которые не следовали непосредственно из опыта. Отказавшись от такого подхода, Ньютон провозгласил: «Hypoteses поп fingo» («гипотез не измышляю»). Его научный метод — это физика принципов, или аксиом, которые хотя и не могут быть получены логическим путем из опыта, но обосновываются непосредственным опытом. Космоло­гия Ньютона основана на законе всемирного тяготения.

где F — сила тяготения, G — гравитационная константа, mi,m2— массы взаимодействующих тел, R— расстоя­ние между ними, а также на трех механических зако­нах движения.

Используя математический аппарат своей теории, Ньютон теоретически объяснил законы Кеплера, раз­работал теорию движения Луны и комет, объяснил механику возникновения приливов, предложил теорию искусственного спутника Земли, предсказал приплюс­нутую форму Земли. Космология Ньютона стала пер­вой в истории науки подлинно всеобъемлющей гипо-тетико-дедуктивной системой мироздания.

Окончательное оформление эта система мира по­лучила к концу XVIII в. в результате трудов блестящей плеяды французских и немецких ученых А. Клеро, М. Эйлера, Ж. Лагранжа, П. Лапласа. И. Канту и Лап­ласу принадлежит заслуга создания динамической модели мироздания.

j Термодинамика и электромагнетизм______________

К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество при­шло к мысли, что механистическая теория практичес­ки полностью сняла все проблемы научной картины мира. Казалось, оправдываются слова, сказанные об авторе «Начал»: «Ньютон был не только величайшим, но и счастливейшим из смертных, ибо систему мира можно создать только один раз».

Явления переноса теплоты объясняли с помощью механической субстанции — теплорода, были приду­маны и другие такие жидкости — электрические и магнитные субстанции.

Положение начало меняться в связи с успехами термодинамики. В середине XIX в. Р. Майер, Дж. Джо­уль и Г. Гельмгольц открыли закон сохранения энер­гии. Используя этот закон, А. Эллингтон предложил первую научную теорию, объясняющую, почему горят звезды. Согласно его теории, источник энергии звезд — превращение в тепло энергии гравитационного сжа­тия. В XX в. стало ясно, что этот механизм недостато­чен, необходимо учитывать поступление в недрах звезд энергии, выделяющейся при термоядерной реакции превращения протонов в ядра гелия.

В 1824 г. Сади Карно открыл второе начало термо­динамики, т. е. закон возрастания энтропии — меры неупорядоченности систем — во всех необратимых процессах.

Используя этот закон, А. Эддингтон сформулиро­вал критерий, определяющий направление времени во Вселенной: стрела времени есть свойство энтропии и только ее одной.

Другое следствие из второго начала термодинами­ки сформулировал Р. Клаузиус, выдвинув гипотезу «тепловой смерти» Вселенной: история мира завершит­ся, когда вследствие непрерывно продолжающегося роста энтропии он достигнет состояния термодинами­ческого равновесия, т. е. абсолютного покоя. И тогда стрелка на часах времени упадет — добавил к этому Эддингтон.

Поскольку после работ Канта и Лапласа стало ясно, что мир никогда не был сотворен, то возникал естественный вопрос, почему этого уже не случилось. Л. Больцман — один из основоположников статисти­ческой физики — попытался снять этот парадокс, пред­положив, что наш мир — это не более, чем гигантская флуктуация в необъятной Вселенной, которая в целом давно уже мертва. Действительное решение проблемы удалось получить много позже, используя идеи теорий самоорганизующихся систем.

Все эти открытия существенно обогатили картину мира, но не привели к смене механистической пара­дигмы. По словам Гельмголыда, научное познание мира будет завершено «по мере того, как будет выполнено сведение явлений природы к простым силам и будет доказано, что это единственно возможное сведение, которое допускают явления».

Не изменилась эта точка зрения и после того, как Джеймс Кларк Максвелл, обобщая открытия А. Ампе­ра, К. Эрстеда и М. Фарадея, сформулировал законы электромагнетизма. Из уравнений Максвелла следова­ло важное предсказание: в пустоте должны распрост­раняться электромагнитные волны. В 1888 г., спустя 20 лет после опубликования теории Максвелла, Г. Герц экспериментально доказал существование этого фун­даментального физического явления.

Возникал вопрос, что является носителем электро­магнитного поля. Сам Максвелл считал, что эту функ­цию выполняет эфир. «Не может быть сомнений, — писал он, — что межпланетное и межзвездное про­странство не является пустым, а заполнено некоторой материальной субстанцией или телом, несомненно наиболее крупным и, возможно, самым однородным из всех других тел».

Эта загадочная субстанция — эфирное море — должна была обладать парадоксальными свойствами: она должна быть почти абсолютно твердой, т. к. ско­рость света очень велика, но одновременно не должна оказывать никакого сопротивления движению небес­ных тел. Передавая свет и другие электромагнитные волны, она в тоже время должна быть абсолютно про­зрачной. Все это изрядно запутывало физическую кар­тину мира. «Мы не знаем источник механических про­цессов,— писал Гельмгольц,— в нашем распоряжении лишь символы, лишь названия переменных, входящих в уравнения».

Чтобы внести ясность в эти вопросы, надо было опытным путем обнаружить существование эфира.

Решить эту задачу можно было, воспользовавшись тем обстоятельством, что уравнения Максвелла в отличие от законов механики Ньютона неинвариантны относи­тельно системы отсчета. Эту идею использовали А. Май-кельсон и Э. Морли, осуществившие в 1887 г. интер-ферометрическое сравнение пучков света, распрост­ранявшихся поперек движения Земли и вдоль него. Итог опытов сформулирован Майкельсоном в следую­щих словах: «Было продемонстрировано, что результат, предсказываемый теорией неподвижного эфира, не наблюдается, откуда с необходимостью следует вывод об ошибочности данной гипотезы».

X. Лоренц и Дж. фицджеральд предположили ги­потезу сокращения длины тел, в том числе и интерфе­рометра вдоль направления:

to

где с - - скорость света, a v — скорость движения.

Как видно из этих преобразований, должен менять­ся и темп хода времени. Эта гипотеза снимала пробле­му, но ценой ее замены другой, не менее трудной.

На этом проблемы механистической картины мира не закончились. Из термодинамики и законов электро­магнетизма следовало, что максимальная интенсив­ность излучения черного тела должна приходиться на коротковолновую область спектра. Эксперимент дал прямо противоположный результат: в этой области наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхож­дение теории с экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы».

Однако все эти неудачи теории мало повлияли на веру большинства ученых во всесилие механической картины мира.

Лорд Кельвин (У. Томсон), встречая новый XX век, произнес тост за успехи теоретической физики, на ясном небосводе которой осталось лишь два облачка — неудача опыта Майкельсона — Морли и «ультрафио­летовая катастрофа».

Произнося эти слова, сэр Уильям показал себя не только неисправимым оптимистом, но и провидцем: из первого упомянутого им «облачка» очень скоро роди­лась теория относительности, а из второго — кванто­вая механика.

В Кванты и относительность_____________________

Сначала была решена проблема «ультрафиолетовой катастрофы». И привело это к радикальному пересмот­ру фундаментальных понятий материи и поля. Первый шаг в этом направлении в 1900 г. сделал Макс Планк, выдвинувший гипотезу о квантах электромагнитного излучения. Согласно этой гипотезе, излучение испуска­ется в виде отдельных порций энергии (квантов), вели­чина которых пропорциональна частоте излучения:

Е= hv,

где h — фундаментальная постоянная, имеющая размерность действия (эрг ■ с) и впоследствии названная планковс-кой. Используя эту гипотезу, Планк получил выраже­ние для распределения энергии в спектре излучения черного тела, совпадающее с экспериментом.

Следующий шаг в 1905 г. сделал Альберт Эйнш­тейн, который показал, что свет не только испускается, но и поглощается в форме квантов энергии. После этого такие квантованные порции электромагнитного излу­чения стали называть фотонами. Стало ясно, что элек­тромагнитное излучение обладает парадоксальными свойствами: в некоторых опытах оно проявляет свои волновые свойства, в других оно напоминает поток корпускул, фотонов.

А вскоре де Бройль выдвинул гипотезу, что этот дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ не только свету, но и веществу, элементарным части­цам. Через несколько лет К. Дэвидсон исследовал рас­сеяние пучка электронов на монокристаллической ми­шени и показал, что этот процесс идет в точном со­ответствии с формулой де Бройля, определяющей волновые свойства электронов.

Становилось все более ясно, что физические свой­ства элементарных частиц — наименьших порций материи — мало напоминают то, что можно сказать о них на основании механистической картины мирозда­ния. В 1927 г. Вернер Гейзенберг показал, что описа­ние поведения элементарных частиц с помощью клас­сических понятий координат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Соответствующее ограничение получило название со­отношений неопределенности Гейзенберга:

Лр-Лх> —, (4)

2тг

AE-At> — , (5)

2тг

Здесь х— координата частицы, p = mV— ее импульс, Е — энергия, t — момент времени.

Смысл формул (4) и (5) состоит в том, что нельзя одновременно точно определить значения координаты и импульса частицы, а также энергии для данного мо­мента времени.

В классической механике поведение материальной частицы описывается основным законом динамики (второй закон Ньютона). Заметим, что Ньютон сфор­мулировал этот закон для материальной точки, которая имеет массу, но не имеет размера. Как следует из принципа дуализма волна-частица и соотношений нео­пределенности, для описания поведения элементарных частиц этот закон неприменим. Выход из этого поло­жения нашел Эрвин Шредингер, который воспользо­вался идеей де Бройля, сопоставив движение микро­частицы с комплексной функцией координат и време­ни, которую он назвал волновой и обозначил буквой Ч*. Решение волнового уравнения Шредингера для функ­ции Ч* характеризует состояние микрочастицы.

Уравнение Шредингера является основным урав­нением квантовой механики, физический смысл вол­новой функции Ч* указал М. Борн. Квадрат модуля Ч* определяет вероятность того, что микрочастица будет обнаружена в пределах некоторого объема. Предсказа­ния квантовой механики, таким образом, в отличие от классики носят вероятностно-статистический характер.

Переход к квантово-механической картине мира позволил снять противоречия, возникшие в связи с «ультрафиолетовой катастрофой». Чтобы сделать понят­ной неудачу опыта Майкельсона-Морли по поиску эфира, потребовалось описать картину мира на языке теории относительности.

В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К элек­тродинамике движущихся тел», в которой заложил основы специальной теории относительности. Предло­женный им способ решения проблемы состоял в том, чтобы превратить ее в принцип. В основу своей тео­рии он положил два постулата: 1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, дви­жущихся равномерно и прямолинейно друг относитель­но друга. 2. Во всех таких системах координат одина­ковы все законы природы (принцип относительности).

Из этих постулатов вытекали следствия, ведущие к радикальному пересмотру классической картины мира. Во-первых, оказалось, что не существует ни абсолют­ного времени, ни абсолютного пространства. Ход вре­мени зависит от системы координат. Во-вторых, стало ясно, что законы природы инвариантны относительно преобразований Лоренца (2)-(3). Отсюда, между про­чим, следовал знаменитый «парадокс близнецов».

В-третьих, оказалось, что с увеличением скорости тела кинетическая энергия как бы увеличивает его сопротивление движению, а масса тела при этом воз­растает. Отсюда в свою очередь следовало установлен­ное Эйнштейном соотношение эквивалентности мас­сы и энергии:

Е = тс2 (6)

где с — скорость света. Стало ясно, что масса и энергия по существу сходны, это только разные выражения одно­го и того же свойства реальности. Формулу (6) можно рассматривать как обобщенный закон сохранения энер­гии. Принято считать, что именно благодаря дефекту массы при реакции превращения протонов в ядра гелия в соответствии с формулой (6) в недрах звезд выделя­ется достаточное количество энергии, чтобы поддержи­вать их существование в течение миллиардов лет.

Четвертое следствие получил Г. Минковский. Он показал, что в рамках модели мира, соответствующей теории относительности, пространство и время — это единый четырехмерный феномен, а не раздельные автономные сущности.

Осталось решить проблему гравитации. Эту зада­чу в 1916 г. решил Эйнштейн, создав общую теорию относительности (ОТО). Если для формулирования за­конов классической механики Ньютону потребовался аппарат дифференциального и интегрального исчис­ления, то в основу ОТО была положена неевклидова геометрия Римана и тензорный анализ. Из ОТО следо­вало, что гравитация — это искривление пространства вблизи массивных тел.

Картина мира, соответствующая ОТО, содержит всего две автономные реальности — вещество и поле. Законы тяготения — это структурные законы, описы­вающие гравитационное поле между материальными объектами. Между материей и полем в ОТО нет каче­ственного различия: вещество находится там, где кон­центрация поля максимальна, поле — там, где она мала. Эйнштейн полагал, что в перспективе всю теорию удастся свести к единственной реальности — полю.

Вселенная, описываемая ОТО, была стационарной. В 1922 г. Л.А. Фридман, анализируя уравнения ОТО, показал, что теория содержит и нестационарные ре­шения: Вселенная может расширяться. Впоследствии Эйнштейн признался, что не заметив этого решения, он совершил самую большую ошибку в своей жизни.

В 1929 г. Э. Хаббл, наблюдая красное смещение в спектрах излучения да\еких галактик, доказал, что Вселенная расширяется на самом деле. Зная скорость, с которой разбегаются галактики, можно было рассчи­тать, когда начался этот процесс. Согласно современ­ным оценкам, это произошло 13,7 миллиардов лет на­зад. Событие, которое привело к возникновению Все­ленной, получило название Большой Взрыв.

Интересно оценить масштабы пространства, вре­мени и энергии, которые соответствуют этой стадии эволюции нашего мира. Для этого можно воспользо­ваться численными значениями фундаментальных констант— постоянной Планка h = 6,62-10""²⁷ эрг-с, скоростью света с = 3-101° см/с и гравитационной по­стоянной

_{с =} 6,67.10-^м^^- (7)

и рассчитать соответствующую величину этих масш­табов:

10~³³с, 10"⁴³см, 1019 ГэВ.

Эти величины длины, времени и энергии получи­ли название планковских масштабов. Их смысл состо­ит в том, что они определяют ту границу, до которой применима современная физическая теория. На мень­ших масштабах перестают работать причинно-след­ственные связи и ничего нельзя сказать ни о структу­ре пространства, ни о поведении времени.

£3 Вакуум, микрочастицы и Всвдвнная ____

Из ОТО следует, что наш мир произошел вслед­ствие Большого Взрыва, причем произошел из вакуу­ма. Не противоречит ли это утверждение закону со­хранения массы-энергии (6)? Полная масса замкнутой фридмановской Вселенной, а значит, и ее энергия равна нулю. Это объясняется тем, что положительная энергия (масса) Вселенной компенсируется отрица­тельной энергией гравитационного взаимодействия всех ее частей. Энергия вакуума тоже равна нулю, поэтому рождение из него Вселенной закону сохране­ния энергии не противоречит.

Однако описать этот процесс с помощью ОТО невозможно, т. к. она не учитывает квантовых эффек­тов, которые при планковских масштабах должны иг­рать главную роль. Для описания свойств мира на этапе его рождения из вакуума требуется теория квантовой гравитации, которая находится пока на стадии форми­рования.

Большинство физиков полагает, что в наибольшей степени для моделирования этих вопросов подходит теория суперструн, самый значительный вклад в раз­витие которой внес Э. Виттен. Всем известно, что такое обычная струна, способная колебаться с разными ча­стотами. Суперструна — это топологическое обобще­ние этого простого образа, объединяющее бесконечное число полей. Эта теория дает ответ на вопрос, откуда и каким образом возникают фундаментальные взаимо­действия — гравитационные, электромагнитные и ядерные — сильные и слабые. Их источником являет­ся многомерная топология. Согласно теории, при очень больших энергиях все разновидности взаимодействий объединяются в универсальный тип — Супергравита­цию. Развитие этих представлений может в дальней­шем значительно изменить современные взгляды на структуру мира.

Существуют ли прямые экспериментальные под­тверждения феномена Большого Взрыва, помимо чис­ленных оценок, следующих из модели Фридмана и закона Хаббла? В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон от­крыли реликтовое излучение с температурой 3,5 °К, равномерно поступающее из далеких глубин Вселен­ной. А согласно теории Г. Гамова, температура Вселен­ной, которая на стадии Большого Взрыва была очень высока, в результате последующего расширения дол­жна была обусловить возникновение к настоящему времени холодного фонового излучения с температу­рой около 5 °К. После этого открытия теория Большого Взрыва стала почти общепризнанной.

Как развивалась история Вселенной на самых ранних стадиях рождения нашего мира, когда его раз­меры были много меньше протона? На этот вопрос отвечает весьма экзотическая теория инфляции, или раздувания, предложенная А. Гутом и А.Д. Линде. Со­гласно этой теории, за время порядка Ю^-33с Вселен­ная раздувается до размеров, близких к современным, а микронеоднородности, порожденные квантовыми флуктуациями (см. формулу 5), могли послужить гра­витационными зародышами, из которых позже вырос­ли звезды и галактики. Благодаря этой теории, делает­ся более понятным и вопрос, откуда взялась энергия, необходимая на создание материи. Ее источником по­служила огромная гравитационная энергия молодой Вселенной. Вот как описывает этот процесс один из авторитетных специалистов по космологии С. Хокинг: «Вселенная взяла в долг огромное количество отрица­тельной гравитационной энергии, которая точно урав­новесила положительную энергию материи. Во время инфляции Вселенная брала огромные долги у гравита­ционной энергии, чтобы финансировать создание но­вой материи. В результате восторжествовала кейнси-анская экономика: получилась сильная экспансивная Вселенная, полная материальных объектов. А долг гра­витационной энергии не будет погашен до конца Все­ленной»,