Астрономия и современная картина мира

Правомерна ли экстраполяция на такой объект принципа возрастания энтропии? Подобная экстраполяция с точки зрения Эддингтона, Джинса и многих других естествоиспытателей, являлась не только возможной, но и вполне обоснованной, во всяком случае по трем причинам: первая - статус принципа Клаузиуса в неклассической картине мира радикально изменился, он выступал теперь одним из наиболее фундаментальных компонентов новой НКМ; вторая - экстраполяция этого принципа на Вселенную как целое, в рамках неклассической НКМ, не приводила ни к каким особым затруднениям. Наоборот, идеи начала и конца применительно к расширяющейся Вселенной, неприемлемость которых для многих материалистически настроенных ученых была главной причиной негативной оценкой ими принципа Клаузиуса, находилась в полном согласии с философскими и религиозными взглядами многих естествоиспытателей того времени, Джинса и Эддингтона - в том числе; третья - релятивистская космология не просто допускала существование начального момента в эволюции, который многими связывался с появлением принципа Клаузиуса, но и вводила этот конструкт как неустранимый компонент НКМ.

Таким образом, эволюция Вселенной всецело определяется, с рассматриваемой точки зрения, принципом возрастания энтропии. Принимая его статистическую, вероятностную интерпретацию, Джинс, Эддингтон и другие отказывались от флуктуационной гипотезы Больцмана - подавляющее большинство физиков 30-40-х гг. считало подобные флуктуации исчезающе мало вероятными (см. напр. [20]). Изменение состояния Вселенной в сторону максимума энтропии и отождествлялось с переходом ко все более вероятным состояниям. В рассуждениях Джинса и Эддингтона была, однако, довольно существенная непоследовательность: принцип возрастания энтропии они внесли в неклассическую релятивистскую космологию в контексте классической термодинамики. И если их схема не приводила к каким-либо внутренним противоречиям, то лишь потому, что не была разработана на уровне физической гипотезы. Джинс и Эддингтон не построили каких-либо моделей, репрезентирующих термодинамические аспекты космологии. Их выводы носили качественный характер, ограничивались уровнем НКМ.

По словам Джинса „Ткань Вселенной ломается, трескается и разрушается от времени и реконструкция или реставрация ее невозможны. Второй закон термодинамики заставляет материальную Вселенную двигаться всегда в одном направлении, по одной и той же дороге, - по дороге, которая кончается только смертью и уничтожением” [21, p. 698-699]. Описание картины „умирающей” Вселенной иногда достигало у Джинса силы буквально поэтического образа. Вот пример: „В некотором отношении материальная Вселенная кажется уходящей подобно уже рассказанной сказке, растворяясь в небытии, как видение” [22, c. 142]. Рано или поздно наступит время, когда в силу неуклонного роста энтропии „последней энергии Вселенной достигнет наинизшей ступени на лестнице понижающейся полезности: в этот момент активная жизнь Вселенной прекратится” [23, р. 182].

Эддингтон, подобно Джинсу, также считал тепловую смерть Вселенной неизбежной. Электроны и протоны во Вселенной, - писал он, - должны в конечном счете взаимно аннигилировать, а их излучение превратится в электромагнитные волны. „В таком случае - заключал Эддингтон - я, наверное, могу описать конец физического мира как - одну изумительную радиопередачу” [24, p. 71]. „Человеческий контекст” этих экстраполяций был ярко раскрыт Н. Винером, который проанализировал их этический смысл: „...Вопрос о том, толковать ли второй закон термодинамики пессимистически, зависит от того значения, которое мы придаем Вселенной в целом, с одной стороны, и находящимся в ней местным островкам уменьшающейся энтропии - с другой” [25, c. 51]. Жизнь и существование человека носят „преходящий”, „мимолетный” характер. „Мы в самом прямом смысле являемся терпящими кораблекрушение пассажирами на обреченной планете. Все же даже во время кораблекрушения человеческая порядочность и человеческие ценности не обязательно исчезают, и мы должны создать их как можно больше...”. Несмотря на то, что „теория энтропии и соображения о конечной тепловой смерти Вселенной не должны иметь таких гнетущих моральных последствий, как это представляется с первого взгляда”, все же „лучшее, на что мы можем надеяться, говоря о роли прогресса во Вселенной, в целом идущей к своей гибели, так это то, что зрелище наших устремлений к прогрессу перед лицом гнетущей нас необходимости, может иметь смысл очищающего душу ужаса греческой трагедии. Однако мы живем в невосприимчивый к трагедиям век” [25, c. 52-53].

Эти высказывания Винера представляют собой характерную оценку „человеческого измерения” идеи тепловой смерти Вселенной уже на этапе неклассической науки и в изменившихся социокультурных условиях. Но как обстояло дело с ее обоснованностью в когнитивном плане?

Наблюдаемая структура Вселенной существует, с этой точки зрения, потому, что Вселенная молода и состояние тепловой смерти просто еще не успело установиться. Конечно, подобная экстраполяция не могла получить какого-либо „внешнего” оправдания. Она предсказывает события, удаленные от нас во времени во всяком случае на многие миллиарды лет в будущее, более того, заведомо возможные лишь после гибели, исчезновения человечества по мере нарастания энтропийных процессов. Последние стадии смерти Вселенной отмечал Винер „не могут иметь никаких наблюдателей” [25, c. 43]. Единственный критерий обоснованности рассматриваемой экстраполяции, может относиться лишь к сфере „внутреннего совершенства”, т.е. рассогласований в самой НКМ или между НКМ и термодинамическими моделями Вселенной. Ясно, что модель тепловой смерти Вселенной примером такого рассогласования с рассматриваемой точки зрения служить не может; по мнению Джинса и Эддингтона она свидетельствовала о крушении материализма, его онтологии. Высказываний на эту тему мы найдем у этих авторов очень много.

Но принятие принципа Клаузиуса отнюдь не было единственно возможным в концептуальных рамках релятивистской космологии. Скажем, М.П. Бронштейн, один из известных сторонников фридмановской исследовательской программы, называл вывод Клаузиуса о тепловой смерти Вселенной „глубоко антинаучным”, поскольку „для объяснения теперешнего состояния Вселенной с помощью физических законов Клаузиус должен был допустить, что в какой-то определенный момент времени (момент „сотворения мира”)” эти законы не действовали; таким образом, исходным пунктом для объяснения теперешнего состояния Вселенной является у Клаузиуса не само второе начало термодинамики, а его нарушение (хотя бы лишь в один начальный момент времени); отсюда возможно заключить, что теперешнее состояние Вселенной противоречит возможности применять второе начало термодинамики к миру как целому” [26, c. 189]. Наряду с этим „тяжелым противоречием” М.П. Бронштейн напомнил и другое (отмечавшееся многими авторами - от Больцмана до Пригожина). Статистическая физика приводит нас к следующему выводу: „Если замкнутая система подчиняется законам, симметричным по отношению к прошедшему и будущему, то история этой системы за достаточно долгий промежуток времени тоже должна быть симметричной по отношению к обеим направлениям времени”. (Это, очевидно, справедливо как для классической, так и для неклассической физики, но теряет силу в постнеклассической науке). Но „та часть истории Вселенной, которую мы знаем, не обладает симметрией по отношению к обоим направлениям времени” [26, c. 195].

М.П. Бронштейн видел три логические возможности выхода из этого противоречия: вселенная внеземной цивилизация астросоциологический

2. Вселенная есть замкнутая система, не подчиняющаяся законам симметричным по отношению к прошлому и будущему.

3. История Вселенной симметрична по отношению к прошедшему и будущему; кажущаяся асимметрия объясняется тем, что мы знаем не всю историю Вселенной, но лишь ее часть” (там же).

Первую возможность М.П. Бронштейн решительно отвергал: „под замкнутой системой мы повсюду подразумеваем систему, история которой (прошлая и будущая) не требует для своего вывода большего количества знаний, чем знание состояния системы в некоторый момент времени и знания законов управляющих состоянием системы”. Но, так как „состояние Вселенной в настоящий момент можно считать заданным, то допущение первой логической возможности означает, что история Вселенной (в частности, ее прошедшая история) определяется не только законами природы, а также и чем-то иным. На этот путь по существу встал Клаузиус, допуская в прошлом какое-то божественное вмешательство. Но так как задача теории мира как целого и заключается в том, чтобы объяснить мир... на основании законов природы, то ясно, что первая из трех перечисленных возможностей, обозначает отказ от проблемы, вместо ее решения”. Она „имеет совершенно антинаучный характер и, следовательно, должна быть отброшена” [26, c. 195-196].

На третью из перечисленных выше логических возможностей указал в свое время Больцман, концепцию которого М.П. Бронштейн самым решительным образом отвергает: „Она обладает чудовищно малой вероятностью... Поэтому и она должна быть отброшена” [26, c. 197-198].

Таким образом остается, по мнению М.П. Бронштейна, лишь вторая возможность: „Во Вселенной должны существовать, по крайней мере, отдельные области, которые подчиняются законам, ассимметричным по отношению к прошедшему и будущему”; в частности, во Вселенной должны существовать такие области, в которых второе начало термодинамики не действительно. Отсюда видно, что оно не применимо ко Вселенной в целом, раз в ней есть такие области”. Таким образом, „второе начало термодинамики не обладает абсолютным характером...” [26, c. 198]. По мнению М.П. Бронштейна, термодинамика неприменима, например, в области релятивистской квантовой теории, которая, вероятно, уже не будет обладать симметрией по отношению к прошлому и будущему. Решение проблем космологии, предсказывал М.П. Бронштейн, может быть достигнуто лишь после синтеза „единой теории электромагнетизма, тяготения и квант”. Весьма проницательно звучала в то время еще одна мысль М.П. Бронштейна: „На основе космологической теории мы должны иметь возможность вычислять ряд безразмерных величин - физических констант, от значения которых „зависит то, почему окружающий мир должен выглядеть так-то, а не иначе” [26, c. 211].

Но в цитированных высказываниях есть и уязвимые моменты. Прежде всего они повторяют ставшую традицией фактическую неточность. Клаузиус, несомненно, считал Вселенную замкнутой системой, но ни о каком божественном вмешательстве он не говорил ни слова. Далее, учет гравитационного поля даже в линейной термодинамике может (при некоторых дополнительных предположениях) существенно изменить расчеты вероятности флуктуации по Больцману - тем более, что в соответствии с антропным принципом дело не только в вероятности самого процесса флуктуации, но и в вероятности наличия наблюдателей такой флуктуации. Еще одно замечание вытекает из современной теории самоорганизации, нелинейной термодинамики. При той интерпретации, которую принцип возрастания энтропии получает у И. Пригожина, он оказывается - вопреки мнению М.П. Бронштейна, - асимметричным по отношению к изменению знака времени. Отсюда следует, что Вселенная как целое действительно подчиняется законам, „асимметричным по отношению к прошедшему и будущему”. Но происходит это в соответствии со вторым началом термодинамики, а не в противоречии с ним.

Наконец, в том же 1934 г., когда была опубликована работа М.П. Бронштейна, Р. Толмен показал, что в неклассической физике проблема Вселенной как замкнутой системы выступает совершенно иначе, чем в физике Ньютона. Выяснилось, что гравитационное поле не может быть включено в состав замкнутой системы, а это качественно меняет конечный результат [27].

Толмен разработал релятивистскую термодинамику, применение которой привело к крупному сдвигу в решении рассматриваемого круга проблем. Толмен исходил из того же понимания Вселенной как целого, которое было у Джинса и Эддингтона, а также из применимости принципа возрастания энтропии к этому объекту. Он показал, однако, что и при этих предположениях идея тепловой смерти Вселенной отнюдь не вытекает с неизбежностью из принятых допущений. Применение в космологии релятивистской термодинамики связано с отказом от понимания Вселенной как замкнутой системы и при ее единственности, уникальности. Рост энтропии Вселенной, даже для слабо неравновесной, т.е. линейной термодинамики, должен рассматриваться с учетом гравитационного поля, которое не может быть включено в понятие замкнутой системы. В этом случае понятие максимума энтропии неприменимо. Необратимая эволюция Вселенной, включая образование в ней сложных структур, будет продолжаться неограниченно. Тепловая смерть Вселенной не наступит никогда. Иными словами, термодинамический парадокс в модели Толмена, снимается и без отказа от „абсолютизации” принципа возрастания энтропии, т.е. признания его универсальности.

Интересно отметить, что это решение идет как раз в том направлении, которое было угадано К.Э. Циолковским,стоявшим в интерпретации принципа возрастания энтропии на альтернативных позициях. Оставаясь до конца своих дней в рамках дорелятивистских идей, он, тем не менее, именно тяготению отводил главную роль в преодолении призрака тепловой смерти.

Модель Толмена, многими сначала почти не замеченная, стала интенсивно разрабатываться в 50-е - 60-е годы (см., например, [28]). В частности, с ее помощью удалось решить принципиально новую задачу - „перекинуть мост” между термодинамической эволюцией нашей Вселенной как целого и эволюционными процессами во Вселенной - сменой различных „эр” ( последовательным исчезновением в ней вследствие роста энтропии, планетных систем, звезд, галактик, черных дыр разной массы). Конечной стадией эволюции модели монотонно расширяющейся Вселенной будет аннигиляция электронно-позитронных пар, превращение их в гамма-кванты. В модели осциллирующей Вселенной число циклов оказывается конечным, а их периоды увеличиваются - опять-таки в силу роста энтропии. Таким образом, фактически термодинамический парадокс в модели Толмена не снимается, а лишь приобретает иную форму.

В связи с постановкой проблемы термодинамики Вселенной в рамках неклассической физики в 30-50-е гг. получили распространение „гибридные” схемы, в которых для устранения термодинамического парадокса образы Вселенной Ньютона и Вселенной Фридмана так или иначе синтезировались. Разработка такого подхода была в сильнейшей степени обусловлена публикацией „Диалектики природы” Ф. Энгельса (1925): содержавшиеся в ней записи „для себя” идеологизированная наука немедленно превратила в непререкаемые догмы, своего рода словесные заклинания.

Это и привело к появлению нескольких вариантов термодинамических моделей Вселенной, авторы которых с точки зрения нового уровня физической науки рассматривали теоретически мыслимые способы преодоления термодинамического парадокса для бесконечной Вселенной. Вселенная Фридмана в этих моделях представлялась либо флуктуирующей областью Вселенной Ньютона-Больцмана (дань релятивизму заключалась в учете энергии гравитационного поля при выяснении вероятности флуктаций) или „частицей” в теоретико-множественной модели Вселенной и т.п. Естественно, любая подобная Вселенная, в которой термодинамический парадокс отсутствует, - это некоторый абстрактный объект, сконструированный средствами теоретической физики, а гибридные модели должны рассматриваться как гипотезы о существовании таких объектов. Вселенная как целое выступает в этих моделях физической системой, отождествляемой с целостным аспектом материального мира и в том или ином смысле бесконечной (в пространстве - времени).

Что касается проблемы направленности термодинамических процессов во Вселенной, их связи с эволюцией Вселенной как целого, то „гибридные” модели воспроизводят своими концептуальными средствами большинство идей или моделей, уже предложенных ранее:

1) модели, в которых постоянный рост энтропии не приводит к тепловой смерти (т.е. некоторый нерелятивистский аналог модели Толмена) были выдвинуты К.П. Станюковичем и И.Р. Плоткиным;

2) аналог флуктуационной модели Больцмана, интенсивно разрабатывавшийся Я.П. Терлецким;

3) термодинамические модели Вселенной, реализующие в какой-либо форме идею „круговорота материи” во Вселенной.

Большой резонанс (и многократное цитирование) вызвала в 50-е годы сейчас почти забытая дискуссия по проблемам термодинамики Вселенной между К.П. Станюковичем и И.Р. Плоткиным. Обе они, как отметил Ф.А. Цицин [29], рассматривают статистико-термодинамические свойства модели Вселенной, сходной с Вселенной Больцмана, т.е. совпадают в отношении исследуемого объекта. Кроме того, оба считали, что проблемы термодинамики Вселенной могут анализироваться и независимо от ОТО, которая не вложила в закон возрастания энтропии нового содержания.

Все же между их моделями есть и одно существенное различие: для И.Р.Плоткина исходной являлась модель „однородной” Вселенной, состоящей из „частиц” одного класса, тогда как наиболее принципиальный момент в модели К.П. Станюковича - бесконечная иерархия структур во Вселенной. Оба автора, однако, склонны были забывать, что обсуждаются именно свойства определенной модели: они онтологизировали свои выводы, говоря просто о Вселенной. Вот, например, одно из характерных высказываний И.Р.Плоткина: „...даже, если бы Вселенная состояла из идеального газа, то и тогда „тепловая смерть была бы для нее невозможна” и т.п. [30, c. 230]. Но такая подмена в языке науки модели реальным объектом - а это вполне обычно для естествоиспытателя, - может приводить к видимости решения тем, где его на самом деле нет. И тогда опять выступают на первый план социально-психологические сюжеты: с одной - страстное желание иметь хотя бы „успокаивающую” иллюзию устранения термодинамического парадокса, с другой - некая термодинамическая модель, в которой этот парадокс, возможно, устраняется, сопоставление же ее с наблюдаемыми свойствами реальной Вселенной достаточно корректно провести нельзя. В сущности перед нами - всего лишь новые образцы „научной мифологии”. Они, конечно, способны дать кратковременный выход, казалось бы, смягчив мировоззренческие затруднения. Полемика вокруг этих моделей обычно обнаруживает в них уязвимые моменты, и они, в свою очередь, сменяются новыми, но также не решающими поставленной проблемы. Эти черты научного познания характерны для большинства схем и моделей, имеющих своей целью устранение термодинамического перекоса в космологии - в частности, и для всех „гибридных” моделей.

Как считал И.Р. Плоткин, система, состоящая из бесконечного числа „частиц” (хотя бы и одного класса) вообще не имеет никакого состояния равновесия. Это значит, по его мнению, что для бесконечной Вселенной все состояния равновероятны. Для такой системы понятия энтропии, а значит, и закон возрастания энтропии лишены смысла. В отличие от систем с конечным числом частиц процессы в ней не имеют характера „топтания на месте”, с возвращением системы к одному и тому же состоянию равновесия, как это допускалось в модели Больцмана. Вместо закона возрастания энтропии и тепловой смерти для такой системы следует из статистической физики „некий закон неизмеримых возможностей и постоянного развития” [30, c. 232]. Даже за бесконечное время может быть осуществлена лишь часть принципиально возможных состояний Вселенной. Идею тепловой смерти И.Р. Плоткин называл в полемическом преувеличении „явно ложной”, несмотря на то, что веских аргументов в пользу столь решительного утверждения ему привести не удалось.

Согласно К.П. Станюковичу, предположение, что Вселенная состоит из „частиц” одного класса (например, молекул), является „основным пороком применения классической статистики к бесконечной Вселенной”, что, по его мнению, „совершенно неправдоподобно” [31, c. 294]. К.П. Станюкович принимает диаметрально противоположную идею: во Вселенной всегда находится счетное множество классов различных „частиц” (фотонов, молекул, звезд, систем звезд и т.д.); это многообразие обусловлено взаимодействием вещества с порожденными им полями. При этом предположении, как считал К.П. Станюкович, „взаимодействия частиц более высокого класса выводят из состояния равновесия частицы низших классов. А поскольку порядок класса ничем не ограничен, то можно утверждать, что частицы разных классов всегда находятся в неравновесном состоянии и что поэтому вся Вселенная всегда находится в неравновесном состоянии” [31, c. 296]. На основе этих, введенных явно ad hoc допущений, К.П. Станюкович приходил к тому же самому выводу, который был примерно в то же время сформулирован И.Р. Плоткиным для модели структурно „однородной” Вселенной и выражен сходными словами. Возрастание энтропии в видимой части Вселенной - не фактор, свидетельствующий о стремлении Вселенной к состоянию равновесия, а следствие поступательного развития материи, когда одни формы и качества материи „отживают” и им на смену „возникают” новые. Множество форм существования и качеств материи в процессе ее развития неисчерпаемо” [31, c. 296]. К.П. Станюкович не преминул попутно высказать ряд эмоциональных замечаний и по поводу модели И.Р. Плоткина, „навязывавшей”, по его словам, природе единообразие частиц одного класса. Но, очевидно, никакая научная гипотеза или модель не обходится без „навязывания” системе знания о природе тех или иных предположений. Не обошелся без них и К.П. Станюкович, принявший для Вселенной (в качестве постулата, по его собственному выражению) схему бесконечной структурной иерархии - совершенно в духе классической физики. Но, во-первых, соответствует ли такой постулат, возрождающий один из принципов НКМ классической физики, современным знаниям о Вселенной? Во-вторых, спасет ли он Вселенную от тепловой смерти? Физика элементарных частиц уверенно подсказывает отрицательный ответ на первый вопрос, если подразумевается существование бесконечной иерархии структур „вглубь” материи. Что же касается крупномасштабной структуры Вселенной, то и здесь простые иерархические модели едва ли достаточно адекватны. Далее, как показал, анализируя ответ на второй вопрос, Ф.А. Цицин, в обсуждаемой модели „мы выставляем „тепловую смерть” в дверь, но в окно лезет нечто еще более неприятное” [32, c. 227]. В частности, при возрастании полной энтропии взаимодействующих „частиц” разных классов в ограниченных объемах должны происходить процессы уменьшения энтропии, но средние промежутки времени между этими минимумами будут постепенно увеличиваться. На каком-то этапе эволюции они превзойдут в модели Станюковича среднее время флуктуации в гипотезе Л. Больцмана. Итак, ни модель И.Р. Плоткина, ни модель К.П. Станюковича, несмотря на выраженные их авторами претензии, не смогли превзойти по степени „внутреннего совершенства” флуктуационную гипотезу Больцмана.

Но наряду с изложенными попытками „преодоления” гипотезы Больцмана разрабатывались и модернизированные варианты самой этой гипотезы. Наиболее известный из них принадлежит Я.П. Терлецкому [33]. По мнению этого автора, статистическая физика и термодинамика были сформулированы для систем земных масштабов и для того, чтобы „они были применимы к произвольным космическим системам”, эти законы необходимо обобщить. Надо учитывать следующие специфические особенности космических систем: 1) неограниченность; 2) собственное гравитационное поле; 3) релятивистские эффекты кривизны пространства-времени (для очень больших систем) и некоторые другие. Наиболее принципиальное осложнение вносит вторая из этих особенностей. Она приводит, как считал автор, к следствиям, которые можно рассматривать как „оправдание флуктуационной гипотезы Больцмана, отбрасывающее обычное возражение о вероятности подобных флуктуаций” [32, c. 214]. Отличительная черта этой модели: большие флуктуации оказываются возможными только в достаточно больших объемах пространства, тогда как в малых (но все же макроскопических объемах) большие флуктуации исключены. Например, для систем масштаба Метагалактики вероятности больших флуктуаций могут быть близки к единице. Любой достаточно протяженный объем Вселенной находится в неравновесном состоянии - энтропия в нем может как расти, так и уменьшаться. Если принять модель неограниченной Вселенной с законом тяготения, обеспечивающим существование термодинамического равновесия (иными словами, тот или иной вариант Вселенной Ньютона), то „процесс круговорота материи можно представлять в виде гигантских флуктуаций сжатия и последующего разрежения” [33, c. 217]. Проблема влияния на эти процессы релятивистских эффектов Я.П. Терлецким не рассматривается - он ссылался на то, что частично она была исследована Толменом. Вариант флуктуационной модели, выдвинутый Я.П. Терлецким, вызвал положительную оценку со стороны А. Поликарова [13], другие же авторы отнеслись к нему довольно критически (см.: [29]).

Анализируя рассматриваемый подход к разрешению термодинамического парадокса на основе критерия „внешнего оправдания” или „внутреннего совершенства”, мы встречаемся во всех случаях с немалыми затруднениями, фактически наталкиваясь на невозможность применить названные критерии в том виде, как это обычно принято.

Возьмем критерий внешнего оправдания. Нечего и говорить, что ни одна из „гибридных” моделей не предсказала каких-либо специфических только для нее явлений. Но согласимся, учитывая масштабы и сложность проблемы, „ослабить” критерий эмпирического подтверждения и удовольствуемся только согласием следствий той или иной модели с уже давно известными фактами - пусть только оно будет более или менее, так сказать, „естественным”. Увы, и тогда нам не миновать не очень приятных „сюрпризов”. Выясняется, что ни одна из моделей не предполагает сравнения с каким-либо иным фактом, кроме наблюдаемой неравновесности Вселенной. Во всяком случае, никаких специфических наблюдательных „тестов” для подтверждения своей модели или выбора между конкурирующими моделями ни один из авторов не предложил, полемика между ними велась в гораздо более общем плане. Обсуждался вопрос: способна ли модель Плоткина (Станюковича, Терлецкого) обеспечить „вечную юность” Вселенной как абстрактного объекта (конструкта), на описание свойств которого она претендовала. И каждый раз оказывалось, что уже при анализе внутренней организации системы абстрактных объектов в каждой из этих моделей могут быть отмечены несообразности, не позволявшие считать ее объяснением наблюдаемого факта - резкой неравновесности Вселенной и образующих ее систем. Именно таким образом велась полемика как между самими авторами „гибридных” моделей, так и критиками „со стороны”.

Но можно ли сказать, что тем самым речь шла о „внутреннем совершенстве” моделей рассматриваемого типа? Нет, - разве что в очень условном смысле. Критерий „внутреннего совершенства” едва ли уместно применять к моделям, схемам, построенным, как отмечалось, из фрагментов классической и неклассической науки - с явным преобладанием фрагментов первого типа и представляющим собой сочетание абстрактных объектов дорелятивистской (главным образом) и релятивистской (отчасти) науки. В этих условиях не может не показаться поразительным, что автор каждой из „гибридных” моделей считал, что она решает поставленную проблему парадокса для реальной Вселенной. На самом же деле ни одна из них - несмотря на достаточно произвольные гипотезы ad hoc, так и не смогла справиться с термодинамическим парадоксом: для всех этих моделей он оказался слишком твердым орешком. Задача - превзойти флуктуационную гипотезу Больцмана - так и осталась нерешенной. Следует оговориться, что подобная ситуация для астрономии, а тем более космологии - не только не редкость, а напротив, нечто очень характерное в условиях невозможности эксперимента. Для многих авторов „гибридных” моделей, как и для тех, кто разделял их эпистемологические позиции, уверенность в успехе, несомненно, была сильно стимулирована мировоззренческими мотивами. В условиях „идеологизированной науки” они играли роль главную и часто самодостаточную. Считалось: раз тепловой смерти нет в модели Вселенной (что, как мы видели, совершенно неверно) - значит, ее нет и в природе, образ „вечно юной” Вселенной спасен! Гипотезы о существовании соответствующих объектов без необходимого в таких случаях доказательства превращались в научные истины. Некоторые философы с удовлетворением оценивали их как реализацию принципа развития в космологии. Но при ретроспективном взгляде некоторая наивность таких рассуждений слишком бьет в глаза.

Гибридные схемы и модели решения термодинамического парадокса в космологии вызвали в 50-е - 60-е годы довольно значительный интерес - преимущественно в нашей стране. Они обсуждались на одном из совещаний по вопросам космогонии (Москва, 1957 г.), на симпозиумах по философских проблемам теории относительности Эйнштейна и релятивистской космологии (Киев, 1964, 1966 гг.) и др., но в дальнейшем ссылки на них становились все более редкими. Это произошло в немалой степени благодаря сдвигам в решении этого круга проблем, достигнутым релятивистской космологией и нелинейной термодинамикой. „Общепринятая” парадигма оказалась способной увязать проблемы термодинамики Вселенной как целого с построением теорий эволюционных процессов в звездах и звездных системах, а гибридные модели так и остались довольно абстрактными конструкциями. Сейчас их иногда вспоминают главным образом историки науки. Но все же „гибридный” подход к проблемам термодинамики Вселенной примечателен с нескольких точек зрения.

Во-первых, разработка термодинамических схем, направленных на решение термодинамического парадокса, полезна даже и в том случае, если они, казалось бы, не находят оправдания.

Достаточно вспомнить, сколько отвергнутых, не получивших признания и оказавшихся как бы „заготовками впрок” схем и моделей космических объектов (например, модель Вселенной де Ситтера, некоторые модели внутреннего строения звезд) в дальнейшем были эффективно использованы. Нельзя полностью исключить, что когда-нибудь наука вернется и к оставленным ранее термодинамическим моделям Вселенной, обнаружив в них какие-то оставшиеся не замеченными достоинства.

Во-вторых, анализ рассматриваемых моделей представляет интерес для изучения динамики науки, ее переходных этапов: процессы роста научных знаний, даже революционных, которые связаны с перестройкой самих оснований научного поиска, а тем более - принятием новых парадигмальных знаний научным сообществом, совершаются не мгновенно, а включают довольно длительное „сосуществование” идей, моделей, схем, исходящих из новых (в данном случае - неклассических) и старых (классических) оснований. Появление гибридных моделей, сочетающих - иногда довольно противоречивым образом - старые и новые основания данной научной дисциплины - не случайность, и не какая-то аномалия, а одна из неизбежных, но обычно игнорируемых черт структуры революционных эпох в науке. Их появление отражает сложность становления нового знания.

Итак, в неклассической науке продолжалась разработка уже выдвинутых ранее основных идей (“тем”) в области термодинамики Вселенной, которые были переформулированы в рамках новых оснований научного поиска. Это привело к ряду новых достижений: наиболее существенное из них - модель Толмена, которая в эволюционном процессе рассматривалась с точки зрения релятивистской термодинамики. Тем самым принцип Клаузиуса снова доказал свою эвристичность! В концептуальном контексте неклассической науки в него был внесен новый принципиально важный момент: рост энтропии во Вселенной Фридмана возможен без достижения состояния тепловой смерти (хотя структура и химический состав Вселенной в рамках релятивистской модели все равно необратимо изменяются).

Эти выводы неклассической науки определенным образом противоречат идеям о всеобщей обратимости процессов во Вселенной - тем более, что модели, основанные на „теме” круговорота оказались недостаточно „конкурентоспособными”. Присоединившись к „общепринятой” в свое время точке зрения, что Вселенная Фридмана, т.е. Метагалактика, - всеобъемлющая и принципиально единственная система (других метагалактик не существует), мы должны были бы принять, что ее „вечная юность” невозможна даже в модели пульсирующей Вселенной (бесконечное повторение циклов эволюции невозможно), а тем более, если признается „абсолютное” начало эволюции Вселенной во времени. Но точка зрения, согласно которой Вселенная как целое фиксирует лишь преходящую границу познания в мегамире, приводит к иному выводу. Возможное существование „начала” (или даже „конца”) эволюции для релятивистских моделей Вселенной должны интерпретироваться в качестве моментов необратимой эволюции не „всего существующего”, а только космической системы наибольшего масштаба и порядка из пока известных. Но тогда противоречие между следствиями релятивистской космологии, с одной стороны, и идеей „вечной юности” Вселенной, если мы учтем, что этот термин К.Э. Циолковский употребил в значении „материальный мир”, и при некоторых дополнительных предположениях, разрешается на уровне философско-мировоззренческого анализа. Метагалактика неизбежно должна была иметь начало и, возможно, конец, но можно вполне сохранять оптимизм по поводу идеи К.Э. Циолковского о „вечной юности” Вселенной и в постнеклассической науке.

15. Термодинамический парадокс в космологии и постнеклассическая картина мира

Качественно новые черты начала приобретать разработка проблемы термодинамики Вселенной на протяжении 80-х годов. Наряду с исследованием Вселенной в рамках неклассических оснований в этой области сейчас развивается и подход, который соответствует признакам „постнеклассической” науки. В.С.Степин [1] выделяет следующие черты этапа, который он обозначает этим термином: 1) революция в средствах получения и хранения знаний (в частности, компьютеризация науки); 2) возрастающая роль в научном поиске комплексных исследовательских программ; 3) объектами современных междисциплинарных исследований становятся, как правило, сложные системные объекты, уникальные системы, которые характеризуют открытость и саморазвитие; 4) особое место среди них занимают природные комплексы, в которые включен в качестве компонента сам человек; 5) ориентация науки на изучение объектов такого типа вызывает необходимость существенного изменения идеалов и норм познавательной деятельности (например, включение в идеалы описания и объяснения факторов, затрагивающих гуманистические ценности). Многие из этих черт „постнеклассической” науки, предсказанные К.Э. Циолковским, довольно определенно демонстрирует и современная космология.

Например, синергетика, в частности, теория диссипативных структур позволяет глубже, чем было возможно в неклассической науке, понять специфику нашей Вселенной как самоорганизующейся, саморазвивающейся системы. И. Пригожин показал, что необратимые процессы „играют существенную конструктивную роль в физическом мире” [18, c. 12]. Все физические объекты во Вселенной выступают, с этой точки зрения, как системы, которые постоянно обмениваются веществом и энергией с внешней средой. Необратимые процессы протекают различно - в зависимости от того, рассматриваются ли слабо неравновесные системы (объекты линейной термодинамики, с которыми только и имела дело термодинамика 19-го века), или же сильно неравновесные системы (объекты нелинейной термодинамики), известные физические законы остаются справедливыми и в случае чисто неравновесных систем (или „дисссипативных структур” - этот термин предложен Пригожиным). Но предсказать на основе одних лишь общих принципов поведение резко неравновесных систем оказывается невозможным. Новый принцип, дополняющий принцип возрастания энтропии и обеспечивающий динамику процессов становления, является излишним. Но специфичность условий, в которых проявляются известные законы, когда мы изучаем диссипативные системы, порождает неожиданные эффекты. Например, происходящие в системе флуктуации, вместо того, чтобы затухать, могут усиливаться (модели „порядка через флуктуации”); тогда система будет эволюционировать в направлении „спонтанной” самоорганизации. И. Пригожин приводит примеры, которые показывают, что во Вселенной повсюду наблюдаются „вспышки необратимости”. Мы наблюдаем продукты распада - неравновесные объекты, квазары, взрывающиеся ядра галактик, пульсары, звезды,коллапсирующие в черные дыры. Необратимость и флуктуации играют важнейшую роль на всех структурных уровнях Вселенной.

Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах.

Основную цель подхода, основанного на статистической теории неравновесных процессов, И. Пригожин выразил так: „...мы отходим от замкнутой Вселенной, в которой все задано, к новой Вселенной, открытой флуктуациям, способной рождать новое” [18, c. 216]. Попытаемся понять это высказывание в контексте анализа тех космологических альтернатив, которые были выдвинуты М.П. Бронштейном.

1. Теория И. Пригожина в сочетании с современным развитием космологии, по-видимому, совместима скорее с пониманием Вселенной, как термодинамически открытой неравновесной системы, возникшей в результате гигантской флуктуации физического вакуума. Таким образом, в этом отношении постнеклассическая наука отходит от традиционной точки зрения, разделявшейся и М.П. Бронштейном. Кроме того, при анализе поведения Вселенной как целого в современной науке следует, по-видимому, отбросить то, что Пригожин назвал „путеводным мифом классической науки” - принцип „неограниченной предсказуемости” будущего. Для нелинейных диссипативных структур это связано с необходимостью учета „ограничений”, обусловленных нашим действием на природу” [18, с. 215].

Наши знания о термодинамике Вселенной как целого, основанные на экстраполяции статистической теории неравновесных систем, также не могут игнорировать прямой или косвенный учет роли наблюдателя.

2. Теория И. Пригожина совершенно по-новому ставит проблему законов и начальных условий в космологии, снимает противоречия между динамикой и термодинамикой. С точки зрения этой теории оказывается, что Вселенная, как считал и М.П. Бронштейн, может подчиняться законам, асимметричным по отношению к прошлому и будущему - что нисколько не противоречит фундаментальности принципа возрастания энтропии, его космологической экстраполируемости.

3. Теория Пригожина - в хорошем соответствии с современной космологией - по-новому оценивает роль и вероятность макроскопических флуктуаций во Вселенной, хотя прежний механизм этих флуктуаций с современной точки зрения иной, чем у Больцмана. Флуктуации перестают быть чем-то исключительным, становятся вполне объективным проявлением спонтанного возникновения нового во Вселенной.

Таким образом, теория Пригожина позволяет довольно непринужденно ответить на вопрос, который вот уже почти полтора века раскалывает научное сообщество и так занимал в свое время К.Э. Циолковского: почему - вопреки принципу Клаузиуса - повсюду во Вселенной мы наблюдаем не процессы монотонной деградации, а напротив, процессы становления, возникновения новых структур. Переход от „физики существующего” к „физике возникающего” произошел во многом за счет синтеза представлений, казавшихся взаимоисключающими в прежних концептуальных рамках.

Идеи Пригожина, ведущие к пересмотру ряда фундаментальных представлений, как и все принципиально новое в науке, встречают неоднозначное отношение к себе - в первую очередь среди физиков. С одной стороны, растет число их сторонников, с другой - говорится о недостаточной корректности и обоснованности выводов Пригожина с точки зрения идеала развитой физической теории. Сами эти идеи интерпретируются иногда не вполне однозначно; в частности, некоторые авторы (например, Ю.Л. Климонтович) подчеркивают, что в процессе самоорганизации энтропия системы может уменьшаться. Если такая точка зрения правильна - она означает, что удалось, наконец, сформулировать те крайне специфические условия, о которых писал К.Э. Циолковский, обсуждая возможности существования в природе антиэнтропийных процессов.

Но идеи русского космизма, в том числе и космической философии К.Э. Циолковского, посвященные этим проблемам, находят и более непосредственную разработку в постнеклассической науке. Особенно следует отметить работы Н.Н. Моисеева, в свою очередь вызывающие крайне неоднозначную реакцию - как и все другие исследования в этой области. Подчеркивая важное значение идей И. Пригожина, Н.Н. Моисеев [34] высказал мысль, что одной только термодинамической эволюции недостаточно для понимания развития Вселенной. По его мнению, для создания „единой картины” мирового процесса необходим широкий синтез представлений современной физики и астрофизики с биосферно-ионосферной концепцией.

Н.Н. Моисеев отмечает, что в ходе эволюции Вселенной происходит непрерывное усложнение организации структурных уровней природы, причем этот процесс носит явно направленный характер. Природой как бы запасен определенный набор потенциально возможных (то есть допустимых в рамках ее законов) типов организации и по мере развертывания единого мирового процесса в нем оказывается „задействованным” все большее количество этих структур. Разум и разумная деятельность должны быть включены в общий синтетический анализ процессов эволюции Вселенной.

К этой же точке зрения присоединился и С.П. Курдюмов [35, 36]. Он считает, что принципы, выдвинутые И.Пригожиным в теориях диссипативных структур, выполняются не всегда; можно привести примеры явного их нарушения. Наряду с принципом возрастания энтропии в открытых нелинейных системах действуют также иные механизмы создания сложных структур.

Разработка идей самоорганизации, в частности, пригожинской теории диссипативных структур, связанная с пересмотром концептуальных оснований термодинамики стимулировала дальнейшее исследование этого уровня знания. Как показал Ф.А. Цицин [37], статистическая термодинамика, развитая еще в классической физике, содержит ряд незавершенностей и неясностей, отдельных странностей и парадоксов - несмотря на то, что с фактами у нее как будто „все в порядке”. Но, согласно исследованиям Ф.А. Цицина, даже в такой установившейся и явно прошедшей „проверку временем” сфере научного поиска кроется немало неожиданностей.

Сопоставление характерных параметров флуктуаций, введенных еще Л. Больцманом и М. Смолуховским, доказывает существенную неполноту „общепринятой” статистической интерпретации термодинамики. Как ни странно, эта теория построена в пренебрежении флуктуациями! Отсюда следует, что необходимо ее уточнение, т.е. построение теории „следующего приближения”.

Более последовательный учет флуктуационных эффектов заставляет признать физически нетождественными понятия „статистического” и „термодинамического” равновесия. Оказывается, далее, справедливым вывод, находящийся в полном противоречии с „общепринятым”: функциональная связь между ростом энтропии и стремлением системы к более вероятному состоянию отсутствует. Не исключены и такие процессы, в которых переход систем в более вероятное состояние может сопровождаться уменьшением энтропии! Учет флуктуаций в проблемах термодинамики Вселенной может привести, тем самым, к обнаружению физических границ принципа возрастания энтропии. Но Ф.А. Цицин не ограничивается в своих выводах основаниями классической и неклассической науки. Он высказывает предположение, что принцип возрастания энтропии неприменим к некоторым типам существенно нелинейных систем. Не исключена заметная „концентрация флуктуаций” в биоструктурах. Возможно даже, что подобные эффекты уже давно фиксируются в биофизике, но их не осознают или неправильно интерпретируют, именно потому, что считают „принципиально невозможными”. Подобные явления могут быть известны другим космическим цивилизациям и эффективно использоваться ими, в частности, в процессах космической экспансии.

Ф.А. Цицин отмечает, что выдвинутые им идеи относительно космологических границ принципа возрастания энтропии не выходят пока за рамки ньютоновско-больцмановской модели Вселенной. Как изменит их применение неклассических и постнеклассических теорий в космологии - расширяющейся, а тем более раздувающейся Вселенной, включающей множество миров, - вопрос, требующий специального рассмотрения.

Итак, в постнеклассической науке были сформулированы принципиально новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии. Наиболее значительны перспективы, которых можно ожидать от космологической экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма. Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку она оказывается открытой системой. Продолжаются и поиски теоретических схем „антиэнтропийных” процессов, непосредственно предсказываемых научной картиной мира, основанной на космической философии К.Э. Циолковского; правда, такой подход разделяется лишь немногими естествоиспытателями. Сквозь всю новизну постнеклассических подходов к анализу проблем термодинамики Вселенной „просвечивают”, однако, те же самые „темы”, которые сформировались еще во второй половине 19 века и порождены парадоксом Клаузиуса и дискуссиями вокруг него.

Мы видим таким образом, что принцип Клаузиуса до сих пор является почти неиссякаемым источником новых идей в комплексе физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого „окончательного” разрешения термодинамического парадокса до сих пор не достигнуто. Все попытки разрубить „гордиев узел” проблем, связанных с принципом Клаузиуса, неизменно приводили лишь к частичным, отнюдь не строгим и не окончательным выводам, как правило, достаточно абстрактным. Содержавшиеся в них неясности порождали все новые проблемы и пока нет особой надежды, что успеха удастся достигнуть в обозримом будущем.

Вообще говоря, это - вполне обычный механизм развития научного познания, тем более, что речь идет об одной из наиболее фундаментальных проблем. Но ведь далеко не всякий принцип науки, как и вообще не любой фрагмент НКМ, является столь эвристичным, каким выступает принцип Клаузиуса. Можно назвать несколько причин, объясняющих, с одной стороны, эвристичность этого принципа, который до сих пор не вызывает ничего, кроме раздражения, у догматиков - безразлично, естествоиспытателей или философов, с другой - неудачи его критиков.

Первое - сложности любых противостоящих этому принципу „игр с бесконечностью”, каковы бы ни были их концептуальные основания. Возможно, только после глубоких исследований Г.И. Наана [38] стало выясняться, сколько недоразумений ожидает нас при постоянно совершаемых подменах одного типа бесконечности другим (например, бесконечности как безграничной протяженности, метрической бесконечности, характеризуемой отрицательной кривизной пространства или теоретико-множественной бесконечности). „Экстраполяция на бесконечность”, „неограниченная экстраполяция” и т.п. не должны казаться чем-то очевидным. И вполне естественно, что все попытки опровергнуть принцип Клаузиуса с помощью разного рода блужданий в лабиринтах бесконечности пока успехом не увенчались.

Вторая причина - использование неадекватного смысла термина „Вселенная как целое” - все еще обычно понимаемого в значении „всего существующего” или „тотальности всех вещей”. Неопределенность этого термина, вполне соответствующая неясностям употребления неэксплицируемых смыслов бесконечности, резко противостоит четкости формулировки самого принципа Клаузиуса. Понятие „Вселенная” в этом принципе не конкретизировано, но именно потому и возможно рассматривать проблему его применимости к различным вселенным, конструируемым средствами теоретической физики и интерпретируемым как „все существующее” лишь с точки зрения данной теории (модели).

И, наконец, третья причина: как сам принцип Клаузиуса, так и попытки разрешения выдвинутого на его основе термодинамического парадокса предвосхитили одну из черт постнеклассической науки _ включенность гуманистических факторов в идеалы и нормы объяснения, а также доказательности знаний. Эмоциональность, с какой на протяжении более сотни лет критиковали принцип Клаузиуса, выдвигали различные его альтернативы, анализировали возможные схемы антиэнтропийных процессов, имеет, пожалуй, мало прецедентов в истории естествознания - и классического, и неклассического. Принцип Клаузиуса явно апеллирует к постнеклассической науке, которая включает „человеческое измерение”. Естественно, в прошлом эта особенность рассматриваемых знаний еще не могла быть по-настоящему осознана. Но сейчас, ретроспективно, некие „зародыши” идеалов и норм постнеклассической науки мы находим в этих старых дискуссиях.

16. Самоорганизация пространства-времени в процессе эволюции Вселенной

Возникновение и развитие объектов нашей Вселенной связано с ее эволюцией как целого. Когда это было осознано, познание Вселенной пошло в двух направлениях: а) обобщение уже разработанных теорий на все более и более глубокие уровни ее организации; б) их космологического применения.

Но отдельные объекты обнаруживают самоорганизующие свойства, которые в первом приближении могут служить моделью самоорганизационных процессов и во Вселенной в целом. Изучение процессов самоорганизации в неорганической природе показало, что для возникновения организованной системы из низкоорганизованной требуется привести последнюю в сильно возбужденное состояние, весьма далекое от равновесия, после чего некоторые флуктуации, существующие в системе, резко усиливаются и система переходит в новое, организованное состояние. „...Возникновение процессов самоорганизации связано с особенностями поведения флуктуаций. Объясняется это тем, что в самоорганизующейся системе обязательно возникают те или иные неустойчивости, в результате которых происходит усиление некоторых возмущений, в том числе и внутренних флуктуаций” [1, c. 479-480]. Эта схема процессов самоорганизации отдельных систем применима и к процессам самоорганизации на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Для возникновения процесса самоорганизации необходимы некоторые условия, одним из которых является нестабильность системы, наличие в ней флуктуаций. Стабильная система не допускает (в определенных пределах) своей дестабилизации, несмотря на внешние воздействия; но как вызвать дестабилизацию системы? Может ли система сама по себе прийти в сильно неравновесное состояние? Опыт (в соответствии с законом возрастания энтропии) показывает, что для вывода из равновесия необходимы внешние воздействия. Поэтому если акт самоорганизации есть внутренний процесс, то для его подготовки необходимы внешние дестабилизирующие факторы, переводящие систему в сильно возбужденное состояние. Значит процесс самоорганизации в целом (дестабилизация + скачок к организации), рассматриваемый относительно какого-либо фрагмента Вселенной, включает в себя единство внешнего и внутреннего.