Научная космология как самостоятельная отрасль знания возникла сравнительно недавно.
Популярность космологии как среди ученых, так и среди широкой публики обусловлена ее своеобразной таинственностью. Многие вообще не видят серьезного различия между научной космологией, мистицизмом или сенсационными сторонами парапсихологии. Полагаю, что, несмотря на такую путаницу, всеобщий интерес к космологии сам по себе благо в нашем мире, где разобщенность и конфликты часто одерживают верх над единством.
Банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый замечательный факт космологии – то обстоятельство, что понятие Вселенной вообще имеет смысл. Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое?
В этом вопросе заключен глубокий философский смысл. В основе науки лежат законы, подлежащие экспериментальной проверке. Научная теория дает последовательное описание тех или иных явлений природы, основанное на сумме не противоречащих друг другу принципов (выраженных преимущественно в математической форме). Цель теории заключается в создании модели определенной части физического мира; она сохраняет силу или, наоборот, отвергается в зависимости от своей пригодности. Чтобы определить, насколько модель близка к реальности, ученым приходится ставить эксперименты.
Если неоднократные эксперименты подтверждают точность модели, то доверие к теории растет, и она становится частью совершенного научного знания, оставаясь в этом качестве до тех пор, пока ей на смену не придет улучшенная, более точная или более глубокая теория.
Научный метод в значительной мере опирается на воспроизводимость экспериментальных проверок. Приведем простой пример. Галилей утверждал, что при падении все тела ускоряются одинаково, так что, начав падать вместе, два тела даже различной массы достигнут поверхности Земли одновременно. Это утверждение было встречено с большим скептицизмом, ибо столетиями люди верили учению Аристотеля о том, что массивные тела падают быстрее (видимо, такое представление больше соответствует интуиции). Однако, что бы ни говорила интуиция, утверждение Галилея сравнительно нетрудно проверить на опыте – достаточно просто проследить за падением нескольких одновременно отпущенных тел. После многократного повторения этого опыта люди пришли к выводу о справедливости утверждения Галилея об особенностях процесса падения материальных тел.
В приведенном примере проверка теории проста, поскольку мы располагаем безграничным количеством небольших тел, пригодных для проведения таких опытов. В космологии, однако, ситуация совершенно иная, ибо (по определению) существует лишь одна Вселенная. Здесь даже не возникает вопроса о «космическом законе», поскольку подобный закон никогда не удалось бы проверить в повторных экспериментах на наборе сходных систем. Отсюда возникает принципиальный вопрос, насколько вообще применимы научные выводы ко Вселенной как целому.
На практике космологи прибегают к экстраполяции. Законы физики, выведенные из наблюдений и экспериментов над отдельными частями Вселенной, применяются и ко Вселенной в целом. Например, общая теория относительности (лучшая из существующих на сегодня теорий гравитации), проверенная экспериментально в основном в пределах Солнечной системы, применяется тем не менее к расчету движения всей Вселенной. Замечательно, что, судя по всему, это дает правильные результаты! Применение законов, справедливых для какой-то отдельной части Вселенной, ко всему космосу, кажется, приводит к очень правдоподобному описанию наблюдаемой на опыте ситуации. Почему?
Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к исходной проблеме – насколько вообще имеет смысл говорить о «Вселенной в целом». Здесь есть аналогия с человеческим обществом. Политик может рассуждать следующим образом: «Я доволен снижением цен, мои друзья также удовлетворены этим; согласно опросам общественного мнения, другие люди также одобряют снижение цен. Следовательно, страна в целом будет удовлетворена снижением цен». Исходное предположение здесь состоит в том, что общество в целом обладает неким коллективным сознанием, которое отражает мнения его отдельных членов.
Это позволяет считать, что принципы, применимые к отдельной личности, справедливы и для общества в целом. Но подобная аргументация убедительна лишь в том случае, если общество состоит из сходно мыслящих личностей. Разумеется, в вопросе о снижении цен большинство людей придерживается одинакового мнения. Однако результат может быть совершенно иным, если коснуться, например, вопроса об отношении к религии.
Применяя законы физики ко Вселенной в целом, мы совершаем тот же логический скачок, как и в примере с понижением цен. Вселенная состоит из огромного (возможно, бесконечного) числа подобных друг другу или даже идентичных систем. В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое собрание галактик, а ее микроструктуру – как собрание атомов. В недрах строения вещества Вселенная представляет собой набор квантовых полей. Часто считается само собой разумеющимся, что за пределами наблюдаемой Вселенной мы встретимся с объектами знакомых нам типов. Однако далеко не очевидно, что подобная поразительная универсальность должна существовать.
Универсальность физических систем служит отправкой точкой всей научной космологии. Изучение звездного неба показывает, что звезды очень похожи на наше Солнце, а другие галактики напоминают наш Млечный Путь как по размерам, так и по структуре. Более детальный анализ свидетельствует, что удаленные тела состоят из тех же атомов, какие встречаются на Земле. «Земной» атом совершенно неотличим от атома на самом краю наблюдаемой Вселенной. Физические процессы, происходящие в наиболее удаленных областях космоса, по-видимому, абсолютно идентичны процессам в ближнем космосе. При этом особенно важно, что сами взаимодействия оказываются универсальными. Например, силу электромагнитного взаимодействия в удаленных квазарах можно определять на основе тщательного изучения их оптических спектров. При этом не обнаруживается заметного различия с электромагнитными взаимодействиями, наблюдаемыми в лабораторных условиях.
По мере того как астрономы расширяли свои горизонты, охватывая все более обширные области Вселенной, они, как правило, обнаруживали почти одно и то же. Почему так должно быть, совсем не ясно. Несколько столетий назад люди считали, что Земля – центр мироздания, уникальный по своему местоположению и форме. Однако со времен Коперника весь опыт стал говорить об обратном: Земля – типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области Вселенной, и вообще Вселенная состоит из огромного числа более или менее сходных объектов.
Ученые сформулировали эти представления в виде так называемого «космологического принципа», который, попросту говоря, утверждает, что ближний космос является типичным образцом Вселенной в целом. Это относится не только к атомам, звездам и галактикам, но и ко всей организации Вселенной, а также к распределению вещества и энергии. Вселенная чрезвычайно однородна относительно распределения галактик в пространстве как по удаленности, так и по направлению.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88
Популярность космологии как среди ученых, так и среди широкой публики обусловлена ее своеобразной таинственностью. Многие вообще не видят серьезного различия между научной космологией, мистицизмом или сенсационными сторонами парапсихологии. Полагаю, что, несмотря на такую путаницу, всеобщий интерес к космологии сам по себе благо в нашем мире, где разобщенность и конфликты часто одерживают верх над единством.
Банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый замечательный факт космологии – то обстоятельство, что понятие Вселенной вообще имеет смысл. Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое?
В этом вопросе заключен глубокий философский смысл. В основе науки лежат законы, подлежащие экспериментальной проверке. Научная теория дает последовательное описание тех или иных явлений природы, основанное на сумме не противоречащих друг другу принципов (выраженных преимущественно в математической форме). Цель теории заключается в создании модели определенной части физического мира; она сохраняет силу или, наоборот, отвергается в зависимости от своей пригодности. Чтобы определить, насколько модель близка к реальности, ученым приходится ставить эксперименты.
Если неоднократные эксперименты подтверждают точность модели, то доверие к теории растет, и она становится частью совершенного научного знания, оставаясь в этом качестве до тех пор, пока ей на смену не придет улучшенная, более точная или более глубокая теория.
Научный метод в значительной мере опирается на воспроизводимость экспериментальных проверок. Приведем простой пример. Галилей утверждал, что при падении все тела ускоряются одинаково, так что, начав падать вместе, два тела даже различной массы достигнут поверхности Земли одновременно. Это утверждение было встречено с большим скептицизмом, ибо столетиями люди верили учению Аристотеля о том, что массивные тела падают быстрее (видимо, такое представление больше соответствует интуиции). Однако, что бы ни говорила интуиция, утверждение Галилея сравнительно нетрудно проверить на опыте – достаточно просто проследить за падением нескольких одновременно отпущенных тел. После многократного повторения этого опыта люди пришли к выводу о справедливости утверждения Галилея об особенностях процесса падения материальных тел.
В приведенном примере проверка теории проста, поскольку мы располагаем безграничным количеством небольших тел, пригодных для проведения таких опытов. В космологии, однако, ситуация совершенно иная, ибо (по определению) существует лишь одна Вселенная. Здесь даже не возникает вопроса о «космическом законе», поскольку подобный закон никогда не удалось бы проверить в повторных экспериментах на наборе сходных систем. Отсюда возникает принципиальный вопрос, насколько вообще применимы научные выводы ко Вселенной как целому.
На практике космологи прибегают к экстраполяции. Законы физики, выведенные из наблюдений и экспериментов над отдельными частями Вселенной, применяются и ко Вселенной в целом. Например, общая теория относительности (лучшая из существующих на сегодня теорий гравитации), проверенная экспериментально в основном в пределах Солнечной системы, применяется тем не менее к расчету движения всей Вселенной. Замечательно, что, судя по всему, это дает правильные результаты! Применение законов, справедливых для какой-то отдельной части Вселенной, ко всему космосу, кажется, приводит к очень правдоподобному описанию наблюдаемой на опыте ситуации. Почему?
Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к исходной проблеме – насколько вообще имеет смысл говорить о «Вселенной в целом». Здесь есть аналогия с человеческим обществом. Политик может рассуждать следующим образом: «Я доволен снижением цен, мои друзья также удовлетворены этим; согласно опросам общественного мнения, другие люди также одобряют снижение цен. Следовательно, страна в целом будет удовлетворена снижением цен». Исходное предположение здесь состоит в том, что общество в целом обладает неким коллективным сознанием, которое отражает мнения его отдельных членов.
Это позволяет считать, что принципы, применимые к отдельной личности, справедливы и для общества в целом. Но подобная аргументация убедительна лишь в том случае, если общество состоит из сходно мыслящих личностей. Разумеется, в вопросе о снижении цен большинство людей придерживается одинакового мнения. Однако результат может быть совершенно иным, если коснуться, например, вопроса об отношении к религии.
Применяя законы физики ко Вселенной в целом, мы совершаем тот же логический скачок, как и в примере с понижением цен. Вселенная состоит из огромного (возможно, бесконечного) числа подобных друг другу или даже идентичных систем. В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое собрание галактик, а ее микроструктуру – как собрание атомов. В недрах строения вещества Вселенная представляет собой набор квантовых полей. Часто считается само собой разумеющимся, что за пределами наблюдаемой Вселенной мы встретимся с объектами знакомых нам типов. Однако далеко не очевидно, что подобная поразительная универсальность должна существовать.
Универсальность физических систем служит отправкой точкой всей научной космологии. Изучение звездного неба показывает, что звезды очень похожи на наше Солнце, а другие галактики напоминают наш Млечный Путь как по размерам, так и по структуре. Более детальный анализ свидетельствует, что удаленные тела состоят из тех же атомов, какие встречаются на Земле. «Земной» атом совершенно неотличим от атома на самом краю наблюдаемой Вселенной. Физические процессы, происходящие в наиболее удаленных областях космоса, по-видимому, абсолютно идентичны процессам в ближнем космосе. При этом особенно важно, что сами взаимодействия оказываются универсальными. Например, силу электромагнитного взаимодействия в удаленных квазарах можно определять на основе тщательного изучения их оптических спектров. При этом не обнаруживается заметного различия с электромагнитными взаимодействиями, наблюдаемыми в лабораторных условиях.
По мере того как астрономы расширяли свои горизонты, охватывая все более обширные области Вселенной, они, как правило, обнаруживали почти одно и то же. Почему так должно быть, совсем не ясно. Несколько столетий назад люди считали, что Земля – центр мироздания, уникальный по своему местоположению и форме. Однако со времен Коперника весь опыт стал говорить об обратном: Земля – типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области Вселенной, и вообще Вселенная состоит из огромного числа более или менее сходных объектов.
Ученые сформулировали эти представления в виде так называемого «космологического принципа», который, попросту говоря, утверждает, что ближний космос является типичным образцом Вселенной в целом. Это относится не только к атомам, звездам и галактикам, но и ко всей организации Вселенной, а также к распределению вещества и энергии. Вселенная чрезвычайно однородна относительно распределения галактик в пространстве как по удаленности, так и по направлению.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88