Глава XII. Космология и космогония

К сингулярному состоянию может 
быть с полным правом отнесено 
следующее высказывание Ф. Энгельса 
о первичной туманности Канта: 
"...материя до этой первоначальной
туманности прошла через бесконечный 
ряд других форм".

В. В. Казютинский, советский философ, 1979

Вопросы о конечности или бесконечности 
объема Вселенной, законах ее эволюции 
во времени и им подобные не являются 
философскими и должны решаться в свете 
данных астрономических наблюдений и 
современной физики.

В. Л. Гинзбург, советский астрофизик, 1980

Ясно, что выводы космологии имеют 
большое мировоззренческое значение.

И. Д. Новиков, советский астрофизик, 1983

Различные ответы на основные вопросы, которые космология и космогония задают о происхождении и структуре Вселенной, всегда содержали следствия для философских и религиозных систем. Обычно связи между эмпирическими исследованиями Вселенной, с одной стороны, и метафизическими системами - с другой, были значительно менее непосредственными, чем это предполагалось защитниками или оппонентами этих систем, но тем не менее имели место напряженные споры. Довольно трудно представить, например, какое-либо научное доказательство, которое могло бы "подтвердить" или "опровергнуть" позицию человека, заявляющего о существовании Бога и имеющего в распоряжении аргументы хотя бы умеренной степени изощренности. Сходно с этим было бы трудно представить подтверждение или опровержение позиции просвещенного материалиста, утверждающего об исключительно естественном происхождении и эволюции космоса. Тем не менее отдельные виды доказательств со временем заметно повлияли на правдоподобность версий этих различающихся аргументов, и они, в свою очередь, развивались, отвечая на брошенные им вызовы. Здесь мне хотелось бы рассмотреть реакцию отдельных советских астрономов и философов - тех, которые активно защищали позиции диалектического материализма,- на астрономические факты последних десятилетий. Эта попытка потребует краткого обзора наиболее важных открытий астрономов, а также нескольких возникших в результате этого гипотез.

Хотя современные космологические теории часто обсуждаются в популярных статьях так, как будто существуют только две соперничающие модели - "большой взрыв" и "стационарное состояние",- в последние 60 лет было предложено гораздо больше моделей, из которых более десятка получили признание среди космологов, достаточное для того, чтобы иметь общепризнанные названия. Авторы всех моделей были вынуждены принять во внимание несколько фундаментальных теоретических построений и астрономических открытий, которые являются совершенно новыми для нашего века. Наиболее важной теоретической новацией была общая теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1916 г. В противоположность ньютоновской концепции бесконечной Вселенной, локализованной в Евклидовом пространстве, теория Эйнштейна предложила определение метрики пространственно-временного континуума посредством материи, существующей во Вселенной. Однако, вместо того чтобы постулировать уникальное пространство-время, уравнения Эйнштейна скорее открыли дорогу нескольким типам пространств с различными знаками кривизны: положительным (геометрия Римана), нулевым (геометрия Евклида) или отрицательным (геометрия Лобачевского). Выбор среди этих трех типов будет делаться на базе недостаточно определенных характеристик материи во Вселенной, особенно ее средней плотности. Определение средней плотности материи в целой Вселенной было явно невозможным, так как в любой момент времени человек может видеть Вселенную лишь на определенном протяжении. Более того, в этом столетии многие основные измерения, с которыми было связано вычисление плотности, такие, как расстояния до звезд и туманностей, были в высшей степени ненадежными; в нескольких случаях они были в действительности радикально пересмотрены. Таким образом, определение средней плотности материи было слишком трудной задачей.

Наиболее важным астрономическим открытием, волнующим космологию до сих пор в нашем веке, был сдвиг линий спектра внегалактических туманностей в сторону красной части спектра. Это явление было впервые отмечено В. М. Слайфером в 1912 г., но было тщательно исследовано Эдвином Хабблом в 20-х годах. Хаббл и М. Хьюмасон сформулировали в 1928 г. соотношение между красным смещением и расстоянием, что впоследствии было названо законом Хаббла. Это хорошо известное, но иногда неправильно понимаемое соотношение показывает, что красное смещение отдельной туманности прямо пропорционально расстоянию до туманности от наблюдателя. Интерпретированное в свете эффекта Допп-лера, красное смещение дает большую скорость удаления отдаленной туманности; в некоторых случаях эта скорость составляет достаточную часть скорости света. Хаббл был осторожен в применении интерпретаций, связанных с эффектом Допплера, но если такое применение осуществлено, то закон может пониматься как утверждение: скорость удаления туманности прямо пропорциональна ее расстоянию от нас. Эта интерпретация получила возрастающее признание среди астрономов и космологов во всем мире. Она является основой различных космологических моделей расширяющейся Вселенной. Когда такая модель сопровождается гипотезой об изначальном взрыве, а также о моменте, когда расширение началось, то модель принимает тип "большого взрыва".

Сразу после второй мировой войны была разработана Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойлом модель стационарного состояния. Она изначально была создана как попытка преодолеть конфликт между временной шкалой галактики и самой Вселенной, который получался согласно моделям большого взрыва. Однако вскоре теория стационарного состояния приобрела собственное логическое обоснование, которое стало для многих космологов убедительным, когда изначальная напряженность конфликта ослабла. В то время как все релятивистские модели были основаны на космологическом принципе (Вселенная одинакова по всем направлениям), модель стационарного состояния была основана на том, что ее приверженцы называли совершенным космологическим принципом (Вселенная одинакова не только по всем направлениям, но и в любой момент времени). Красное смещение входило в эту модель посредством предположения, что все галактики удаляются друг от друга в соответствии с соотношением Хаббла, но что стационарное состояние распределения материи сохраняется, несмотря на это "разбегание" в результате постоянного творения материи на месте старых галактик, которые это место покинули. Это нарушение закона сохранения материи не было обнаружено учеными, по словам защитников стационарного состояния, так как оно происходило чрезвычайно медленно, за пределами уровня ошибок человеческого эксперимента (как это выразил Бонди, "теория стационарного состояния предсказывает творение в пространстве размером со среднюю гостиную всего лишь одного атома водорода в несколько миллионов лет"¹.

¹ (Bondi H. The Steady - State Theory of the Universe // Rival Theories of Cosmology. L., 1960. P. 17-18.)

Модель стационарного состояния имеет то преимущество, что она бесконечна во времени; из этой модели следует, что не было "сингулярного состояния", когда вся материя Вселенной была спрессована в одну компактную массу, не было "рождения" Вселенной, как называют этот момент некоторые космологи. У нее есть и серьезный недостаток - нарушение одного из наиболее фундаментальных законов физики: закона сохранения материи и энергии (вследствие гипотезы о творении материи). Поэтому эта модель стала центром заметных споров во всех странах. Тем более, что проверяемость гипотезы благоприятствовала решению этих споров. Ее допущение, что Вселенная была всегда одинаковой во времени, могло быть проверено путем наблюдения очень удаленных галактик, которые "удалены во времени"; ее допущение, что все элементы могут быть синтезированы в настоящее время (тяжелые элементы создали здесь некоторые проблемы), также могло быть подвергнуто исследованию; и ее отрицание изначального взрыва могло быть проверено посредством поиска доказательств этого катаклизма. Эти усилия были предприняты в последние десятилетия; общим результатом их было поражение защитников теории стационарного состояния, которую стало все труднее поддерживать. Версия гипотезы "большого взрыва" сейчас принята подавляющим большинством космологов.

Для того чтобы не тратить больше времени на описание космологических моделей, я приведу схематическое их описание, к которому буду позже обращаться при обсуждении советских воззрений. Так как многие модели имеют общие положения, то довольно трудно было распределить все модели по отдельным категориям, но я попытался это сделать¹. Можно проследить сложность этой проблемы, заметив, что нижеприведенная упрошенная категоризация включает четыре варианта теории большого взрыва (IIа, IIв, IIс, IIIс) и три варианта теории стационарного состояния (в разделе VI), не говоря уже о других².

¹ (Peebles P. J. E. Physical Cosmology. Princeton, 1971; Sciama D. W. Modern Cosmology. Cambridge, 1971; Silk J. The Big Bang: Creation and Evolution of the Universe. San Francisco, 1980; Weinberg S. The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. N. Y., 1977; Weinberg S. Gravitation and Cosmology: Principles and Applications of the General Theory of Relativity. N. Y., 1972; Bonnor W. The Mystery of the Expanding Universe. N. Y., 1964; Hoyle F. The Nature of the Universe. N. Y., 1960; McVitte G. С Fact and Theory in Cosmology. N. Y., 1961; Gamow G. The Creatior of the Universe. N. Y., 1955; Struve O. The Universe. Canbridge, 1962; de Vaucouleirs G. Discovery of the Universe. N. Y., 1957; Whitrov G. J. The Structure and Evilution of the Universe. L., 1959.)

² (Категории I-IV являются "релятивистскими" в смысле принятия как специальной, так и общей относительности; в категории V принимается специальная, но отвергается общая относительность; VI категория являлась существенной адаптацией относительности, включавшей отказ от законов сохранения. Модели IIа, IIв, IIс и IIIд могут быть названы моделями "большого взрыва", хотя I дописывается лучше всего как модель "множественного большого взрыва". Модели IIIа, IIIв, IIIс и IIIе не являются моделями большого взрыва; IIIа и IIс начинаются с бесконечным периодом времени в статическом эйнштейновском состоянии; Не содержит бесконечные фазы расширения и сжатия без сингулярного состояния между ними. IV, в противоположность другим моделям, основан на отрицании космологического принципа.)

I. Статическая

a) эйнштейновские уравнения 1915 г.,

b) Эйнштейн (с космологическим членом /λ/), 1917 г.

II. Расширяющиеся модели без космологического члена (λ)¹

¹ (Космологический член (λ) был первоначально введен Эйнштейном для обозначения силы отталкивания, препятствующей гравитационному коллапсу в статической модели (Ib). Позже он отказался от этого члена, перейдя к расширяющимся моделям и поняв, в результате работ Фридмана, что расширяющиеся модели могут быть построены без этого члена. Этот космологический член был сохранен Другими космологами (III); его действием, проявляющимся лишь на огромных расстояниях, является увеличение скорости расширения.)

а) Эйнштейн - де Ситтер. 1932 г.

b) циклоидальная

c) гиперболическая (a), b), c) - основаны на работе A. A. Фридмана, 1922 г.)

d) осциллирующая без сингулярного состояния.

III. Расширяющиеся модели с космологическим членом (λ)

a) Эйнштейн (как модификация Эддингтона, 1930 г.),

b) де Ситтер, 1917 г.,

c) Эддингтон (основываясь на 1b),

d) Леметр, после 1927 г.,

e) бесконечное сжатие - бесконечное расширение.

IV. Расширяющиеся и вращающиеся

а) О. Гекман и другие, основываясь частично на работе Гёделя, 1949 г.

V. Кинематическая относительность

а) Милн, 1935 г.

VI. Стационарное состояние

a) Бонди-Голд-Хойл, 1948 г. (модификация III b),

b) электрическая Вселенная, Литтлтон-Бонди, 1960 г.,

c) Хойл-Нарликар, 1963 г.

Многие зарубежные обсуждения советской космологии сосредоточивались на наиболее элементарных и догматических источниках. Перед смертью Сталина появилась значительная советская литература с чрезвычайно простой посылкой: любая интерпретация Вселенной, аргументирующая в пользу божественного вмешательства, автоматически непригодна¹. Эта непригодность обычно утверждалась без какого-либо серьезного рассмотрения научных достоинств данной интерпретации или возможности того, что ее научное ядро может выдвигаться без особых теологических обертоноЕ отдельными европейскими и американскими авторами. В итоге многие известные зарубежные астрономы и физики, такие, как Джеймс Джине, Артур Эддингтон, Г. Е. Леметр, Ф. Хойл, Г. Бонди, Т. Голд, О. Струве, К. Ф. фон Вайцзеккер и Барт Бок, время от времени обвинялись в "идеализме", "мистицизме" и "поповщине". Легко просто высмеять эти выпады советской пропаганды (а многие из них того заслуживают), но необходимо признать то, что некоторые из упомянутых выше авторов - далеко не все, разумеется,- действительно вносили религиозные элементы в свои астрономические сочинения. Так, Джине рассуждал о "персте Бога", направившем движение планет по орбитам, и это было чем-то большим, нежели просто ярким образным стилем изложения. В другом случае аббат Леметр часто ссылался на "рождение Вселенной" перед началом ее расширения, и эти его ссылки, вероятно, имеют связь с религиозной верой². В некоторых случаях утверждения были слишком сильными, чтобы их можно было просто отбросить; таким было замечание Э. Т. Уиттекера: "Это проще - постулировать творение ex nihilo, действие Божественной Воли для построения Природы из ничего"³. Не только советские идеологи были обеспокоены некоторыми из этих высказываний, как писал британский астроном В. Боннор, "вполне можно понять тот энтузиазм, с которым некоторые теологи восприняли идею о сотворении Вселенной 10 000 миллионов лет назад. Здесь было свободное место для Бога, которое они искали. Архиепископ Ушер ошибся на несколько лет при датировке, но его идея была верной, когда он сказал, что Бог сотворил мир в 4004 г. до н. э.

¹ (Не следует забывать, что в 20-30-х годах, до того как сталинизм глубоко затронул советскую интеллектуальную жизнь, существовала более сложная и обширная литература по философским аспектам космологии и космогонии. В те годы естествоиспытатели зачастую не обладали глубокими знаниями диалектического материализма, но даже великий А. А. Фридман делал попытки связать свои взгляды на Вселенную с материализмом. См.: Фридман А. А. Мир как пространство и время. М., 1965. С. 32. См.: Герасимович Б. П. Вселенная при свете теорий относительности. Харьков, 1925. Сюда же относится работа М. А. Бронштейна. )

² (Советские авторы были, конечно, не единственными критиками поздних работ Дж. Джинса. Американский физик Фримен Дайсон отмечал: "...он двигался от плохого к худшему, становясь преуспевающим популяризатором и ведущим радиопередач, принимая дворянское звание и разрушая свою профессиональную репутацию обходительными и поверхностными спекуляциями о религии и философии". Dyson F. Mathematics in the Physical Sciences // Scientific American. 1964. Sept. P. 129. )

³ (Whlttaker E. T. The Beginning and End of the World. L., 1943. P. 63.)

К несчастью, некоторые космологи были благожелательно настроены к таким установкам. Это кажется мне довольно предосудительным по следующей причине. Это дело науки - предлагать рациональные объяснения событий в реальном мире, и любой ученый, который для объяснения чего-либо прибегает к Богу, не справляется со своей работой. Это также приложимо к началу расширения, как и к любому другому событию. Если объяснение сразу не получается, ученый может отложить вывод; но если он действительно ученый, то он будет всегда утверждать, что в конце концов рациональное объяснение будет найдено...

Со стороны части космологов наблюдалось удивительное нежелание это делать, о чем я уже упоминал, и они предпочитали связывать сингулярность в уравнениях с Богом. Но я утверждаю, что с научной точки зрения это непростительно..."¹.

¹ (Bonnor W. The Mystery of the Expanding Universe. N. Y., 1964. P. 119.)

Если использование религиозных метафор и даже умышленное введение религиозных элементов имело место в работах отдельных западных космологов, то сходный порок искажения аргументов во имя воинствующего атеизма был еще более частым в Советском Союзе до конца 50-х годов. Когда авторами таких статей были идеологи, слабо знающие математику, результаты оказывались ошибочными с точки зрения естествознания. Одним из наиболее частых аргументов было утверждение, что диалектическому материализму соответствует лишь бесконечная Вселенная. С исторической точки зрения связь пространственной бесконечности с современной наукой, конечно, очень тесная; эта ассоциация проявляется, например, в самом названии книги выдающегося историка науки Александра Койре "От закрытого мира к бесконечной Вселенной"¹. Религия была настоящим препятствием в определенные моменты для теории бесконечной Вселенной (хотя нельзя забывать, что для Ньютона в бесконечной Вселенной с абсолютным пространством и временем подразумевалось скорее присутствие Бога, чем его отсутствие)². Из-за этой ассоциации многие оппоненты религии как в Советском Союзе, так и за рубежом находили релятивистские закрытые модели Вселенной неподходящими. Важным отличием, однако, было то, что закрытые космологические модели XX в. были четырехмерными, в то время как конечные модели средневековой схоластической мысли были трехмерными, ограниченными фиксированными звездами ("хрустальные сферы" не всегда понимались буквально схоластическими мыслителями, но идея ограниченного пространства существовала). Основой для соединения конечной Вселенной с религией была эта историческая ассоциация - не полностью заслуживающее доверия основание. Напрашивается мысль о том, что диалектические материалисты имели не больше логической необходимости требовать бесконечную Вселенную, чем средневековые теологи для требования конечной (или, по этой же причине, современные зарубежные астрономы для допущения начала во времени). Соответственно советские космологи имели все причины быть осторожными, критикуя конечные модели с позиций, находящихся за пределами науки. В то время как немногие астрономы и математики очень четко представляли себе причины для такой осторожности, общая идеологическая антипатия по отношению к конечным моделям была очень сильной. Уже в 1955 г. один советский автор отмечал в астрономическом журнале: "Марксистско-ленинская доктрина о бесконечной Вселенной является фундаментальной аксиомой в основании советской космологии... Отрицание или избегание этого тезиса... неизбежно ведет к идеализму и фидеизму, то есть, в конечном итоге, к отрицанию космологии и, таким образом, не имеет ничего общего с наукой"³.

¹ (Koyre A. From the Closed World to the Infinity Universe. Baltimore, 1957.)

² (Э. Дж. Дийкстерхуз отмечал: "Сильное воздействие, которое ньютоновские религиозные идеи оказали на его научную мысль, объясняется, помимо прочего, его верой в существование абсолютного пространства и абсолютного времени. Первое символизировало для него вездесущность Бога, а второе - его вечность". Dijksterhuis Е. J. The Mechanization of the World Picture. L, 1961. P. 487. В "Общем поучении" своих "Начал" Ньютон замечал: "Такое изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа". Ньютон И. Математические начала натуральной философии // Крылов А. Н. Собр. трудов. М.; Л., 1936. Т. 7. С. 659.)

³ (Цит. по кн.: Wetter G. Dialectical Materialism: A Historical and Systematic Survey of Philosophy in the Soviet Union. N. Y., 1958. P. 436.)

Вопрос о "рождении" Вселенной более спорен, чем вопрос о ее конфигурации, как это указано выше в замечании Боннора. Также как необходимо соблюдать осторожность при рассмотрении вопросов космологии, существует несколько серьезных причин для непринятия понятия начала всего времени до тех пор, пока нет абсолютной для этого необходимости. Более того, достаточно трудно представить условия, в которых такое понятие будет абсолютно необходимым. Советские критики теорий "большого взрыва" обычно, хотя бы в своих работах, выражали большую осведомленность об этих причинах, чем их зарубежные коллеги; они правильно отмечали, что гипотеза о рождении всей Вселенной (а не просто одной из ее фаз или частей) была связана с религиозными взглядами. Эти советские авторы теряли, однако, свое философское преимущество в этом вопросе, распространяя свои аргументы далеко за пределы, необходимые для предотвращения приверженности понятию абсолютного начала Вселенной¹.

¹ (См.: Курсанов Г. А. Диалектический материализм о пространстве и времени // Вопросы философии. 1950. № 3. С. 173-191.)

Наиболее интересное исследование некоторых из этих вопросов может быть найдено в работах нескольких признанных советских естествоиспытателей; они будут обсуждаться в следующих разделах.