Глава 7. Проблема прерывности и непрерывности материи в свете современных данных

1. Единство противоположностей в свойствах материи

Проблема конечного и бесконечного при исследовании строения материи постоянно переплеталась с проблемой прерывного и непрерывного. Если абсолютизация прерывного являлась философской основой концепции неделимых и бесструктурных элементов материи, то абсолютизация непрерывного приводила к отрицанию самой идеи атомизма и к теории бесконечной делимости материи. Обе эти концепции претерпели существенные изменения и коррективы в свете современных достижений. Поэтому представляет большой интерес рассмотреть, как современная наука решает проблему прерывного и непрерывного.

Философской основой для правильной постановки этой проблемы является диалектико-материалистическое положение о единстве противоположностей. Всякий материальный объект включает в себя единство противоположных свойств и тенденций. Всестороннее изучение каждой из этих тенденций составляет важнейшее условие диалектического способа мышления.

Из всех противоположностей, которые имеются в неорганической природе и обусловливают ее развитие, одними из важнейших являются притяжение и отталкивание. Их взаимодействие обусловливает устойчивое существование всех материальных систем и их непрерывное внутреннее изменение. Эти противоположности находятся в столь неразрывном единстве, что при определенных условиях притяжение может сменяться отталкиванием, и наоборот. Более того, в ряде случаев взаимодействие выступает как тождество противоположностей притяжения и отталкивания. Согласно квантовой теории, взаимодействие между телами на расстоянии есть результат обмена квантами электромагнитного, гравитационного или ядерного полей. Излучение данным материальным объектом квантов поля есть по существу не что иное, как своеобразное отталкивание. Между тем именно это излучение, обусловливающее возможность обмена квантами, лежит в основе притяжения, которое возникает между телами. Взаимодействие здесь выступает как единство противоположностей.

Единство противоположностей проявляется и в самом бытии материи. Известно, что движение является способом существования материи и неотделимо от нее. Но несмотря на всеобщность движения, всякое тело обладает противоположным свойством — инерцией, то есть способностью сопротивляться изменению состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Вместе с тем телам присуща относительная устойчивость качественного состояния. Так, значительной устойчивостью форм и функций обладают все живые организмы, несмотря на постоянное обновление их в результате обмена веществ. Стабильность и устойчивость, присущая материальным объектам, представляет собой необходимую противоположность изменения. Без покоя и устойчивости невозможно было бы движение и изменение, и без изменения нельзя было бы говорить о какой-либо устойчивости.

Другими противоположностями, присущими материальным объектам, являются прерывное и непрерывное. Однако эти противоположности — совершенно иного характера, чем, скажем, притяжение и отталкивание. Из всех противоположностей, существующих в природе, можно выделить две основные группы. В одну группу входят те противоположности, которые находятся между собой в постоянном взаимодействии. Борьба этих противоположностей является источником и внутренним содержанием процесса развития.

Но имеется еще другая группа противоположностей, между которыми нет никакой борьбы и которые объективно не являются источником развития. К их числу можно отнести корпускулярные и волновые свойства частиц, прерывное и непрерывное, конечное и бесконечное, плюс и минус, дифференциал и интеграл и т.п. В повседневной жизни можно найти тысячи примеров таких противоположностей. Было бы неправильно отождествлять вторую группу противоположностей с первой, как это часто делается, ибо это приводит к упрощенному, вульгарному толкованию одного из основных законов материалистической диалектики. Первая группа противоположностей непосредственно характеризует источник и внутреннее содержание процесса развития; противоположности второй группы могут характеризовать внешнюю форму процесса развития, как прерывное и непрерывное, но большей частью они выражают общее состояние материи, закономерности ее структурной организации.

Попытки решить проблему прерывности и непрерывности предпринимались в течение последних трехсот лет развития науки. Материя рассматривалась в период XVII—XIX вв. как совокупность дискретных атомов или заряженных частиц и непрерывного эфира. Однако все эти попытки не приводили к удовлетворительным результатам. Причина этого заключалась в том, что все время предполагалось, будто в природе существуют или только дискретные формы материи, не обладающие никакими чертами непрерывности, или же только непрерывные образования, лишенные каких-либо дискретных свойств. Между тем в действительности любой материальный объект представляет собой единство прерывности и непрерывности. Это единство имеет несколько конкретных проявлений и аспектов. Оно проявляется, во-первых, в самом процессе движения и развития и, во-вторых, в характере пространственного распределения материи. Применительно к микрообъектам оно находит свое выражение в единстве частиц и полей, корпускулярных и волновых свойств.

Рассмотрим проявление единства прерывности и непрерывности в процессе движения и развития. Уже простое механическое перемещение в пространстве представляет собой единство данных противоположностей. Движение нельзя представлять в виде суммы последовательных моментов покоя, так как из моментов покоя никогда не возникает движение. Движение — это такой процесс, при котором движущееся тело в каждый данный момент времени находится в данной точке и не находится в ней. Постоянное возникновение и разрешение этого противоречия и делает возможным движение. Таким образом, движение выступает как единство прерывности пространства и времени и непрерывности пространства и времени.

Если рассмотреть движение как изменение вообще, то единство данных противоположностей будет проявляться в количественных и качественных изменениях. Количественные изменения выражают момент непрерывности в развитии, качественные же характеризуют развитие с прерывной стороны, то есть представляют собой «перерыв непрерывности», скачок в новое состояние. Для многих явлений количественные и качественные изменения разделены во времени: сначала происходят количественные накопления, а затем более или менее быстро происходят коренные качественные изменения в данном явлении. Но наряду с этим существует множество таких явлений, в которых количественные и качественные изменения не разделены во времени, а происходят одновременно. Переход в новое качество здесь осуществляется в виде постепенного изменения старого качества, без резких скачков и взрывов. В общественных явлениях такой переход происходит в случае развития языка, в природе — в случае биологической эволюции растительных и животных видов, изменения всей биосферы и земной коры в областях отсутствия интенсивной тектонической деятельности. Подобное изменение можно наблюдать и в обыденных явлениях, например в случае постепенного испарения воды без подогревания. Переход в парообразное состояние осуществляется здесь в единстве количественных и качественных изменений. Процесс испарения есть не что иное, как последовательный вылет молекул за пределы поверхностного слоя и распределение их среди молекул воздуха. Весь качественный переход распадается здесь на огромное количество качественных изменений меньшего масштаба. Энгельс говорил, что «в природе нет скачков именно потому, что она слагается сплошь из скачков». Испарение воды может служить яркой иллюстрацией этого положения. Точно так же и в других случаях постепенного изменения качества переход в новое состояние происходит в порядке единства количественных и качественных изменений, единства непрерывности и прерывности.

Непрерывность зачастую имеет своей основой большое количество дискретных микроявлений. Так, непрерывность газов и жидкостей обусловлена характером связей атомов и молекул. Непрерывность макроскопического действия имеет в качестве своей основы прерывность действия бесчисленного множества элементарных микропроцессов. Эта прерывность обусловлена наличием кванта действия h=6,62·10^-27эрг-сек.

Неразрывная взаимосвязь количественных и качественных изменений говорит о том, что единство прерывного и непрерывного обязательно для всех явлений. Если бы материя была только непрерывной, то невозможно было бы скачкообразное изменение ее свойств, и обратно, будь материя только дискретна, было бы невозможно взаимодействие ее структурных элементов и объединение их в более сложные формы.

Далее, единство прерывности и непрерывности выражается в характере распределения материи в пространстве. Пространство и время, как учит диалектический материализм, представляют собой коренные формы бытия материи, неразрывно связанные с ней. Как материя не может существовать вне пространства и времени, так пространство и время не могут существовать независимо от материи. Реальное пространство есть не что иное, как выражение протяженности всех существующих в природе видов материи, тогда как время представляет собой меру всеобщего изменения материи. Из этого следует, что материя непрерывно распределена в пространстве и не существует таких областей, где вовсе не имелось бы материи в каких-либо ее формах.

Положение о непрерывности распределения материи нашло свое конкретное физическое развитие в современном учении о полях. Если взять электромагнитное поле, то оно представляет собой совокупность огромного количества элементарных электромагнитных полей, порождаемых частицами. Эти поля подчиняются принципу суперпозиции, согласно которому напряженности полей, создаваемых различными телами, складываются аддитивно и сами поля непрерывно переходят друг в друга. Основные характеристики поля изменяются от точки к точке, так что состояние всякого элемента поля определяется состояниями других элементов в бесконечно близких точках. В отличие от твердых и жидких тел, обладающих определенной формой, поле обладает непрерывным распределением, и напряженность его постепенно убывает с расстоянием (за исключением ядерного поля). Вследствие этого невозможно сказать, где кончается сфера действия поля.

Однако поле нельзя считать чисто непрерывным, бесструктурным континуумом, оно имеет и прерывные свойства, которые проявляются во взаимодействиях с частицами. При поглощении и излучении поле выступает как совокупность дискретных образований — квантов, которые представляют собой возбужденные состояния полей. Дискретные свойства присущи даже вакуумным состояниям полей, в которых отсутствуют кванты. В этом случае дискретность проявляется в факте взаимодействия вакуумных полей с частицами, в частности, в том, что вакуумные поля способны порождать частицы — электроны, позитроны и др. Процессы порождения частиц были бы невозможны, если бы вакуумные поля не обладали скрытыми дискретными свойствами.

Из сказанного можно сделать вывод, что в отношении пространственного распределения материя выступает одновременно и как дискретная сущность — в форме частиц, — и как непрерывная — в форме различных состояний полей. При этом дискретные частицы, или кванты, не противостоят непрерывному, как нечто внешнее. Они являются узловыми пунктами или возбужденными состояниями полей, подобно волнам на поверхности моря. Непрерывное как бы составляет фон или материальный субстрат дискретного, в котором конкретно обнаруживаются его свойства.

В связи с этим возникает вопрос о том, не сводится ли в современной теории прерывное к непрерывному, частицы к полям? Не теряет ли свою объективную реальность та форма материи, которую мы привыкли определять как вещество? Этот вопрос связан с определением взаимоотношения между полем и веществом, и на нем необходимо остановиться подробно.

2. Изменение представлений о взаимоотношении поля и вещества в современной физике

Физические представления о природе вещества за последние 50 лет претерпели коренные изменения. Еще сравнительно недавно вещество рассматривалось как единственная форма материи, и понятие вещества считалось синонимом понятия материи. Отождествление понятий материи и вещества до сих пор встречается в повседневной жизни, в технике, а также в некоторых естественных науках. Под материей здесь понимается все то, что имеет определенную массу и может быть в конечном счете сведено к различным микрочастицам. Подобное отождествление в большинстве случаев не приводит к сколько-нибудь существенным ошибкам или недоразумениям. Но это справедливо лишь до тех пор, пока мы не сталкиваемся с вопросом о полях и их ролью в материальных процессах. Если же мы исследуем процессы взаимодействия частиц с различными полями, а также процессы превращения частиц вещества в кванты электромагнитного поля, то во избежание ошибок мы должны признать, что, помимо вещества, существует еще особая форма материи — поле.

Однако деление всей материи на две основные формы — поле и вещество — можно четко провести лишь при общем макроскопическом понимании материи. Здесь под веществом понимается нечто такое, что обладает массой покоя, значительной непроницаемостью, может двигаться с любыми скоростями в пределах от нуля до скоростей, близких к скорости света, тогда как поля не обладают всеми этими свойствами и подчиняются принципу суперпозиции. Но если мы перейдем от общего макроскопического взгляда на мир к исследованию микроструктуры самого вещества, то наше прежнее деление всей материи на поле и вещество уже не будет казаться столь очевидным, а, напротив, встретится с значительными трудностями.

Вещество состоит из атомов и молекул, которые не примыкают вплотную друг к другу, а разделены значительными по сравнению с их собственными размерами расстояниями. Это пространство нельзя считать абсолютной пустотой: оно занято полями. Еще более разительную картину представляют сами атомы. Линейные размеры атомов водорода составляют примерно 10^-8 см, тогда как размеры ядра атома водорода — протона — порядка 10^-14 см, то есть в миллион раз меньше. На долю атомных ядер и электронов в атоме приходится примерно 10^-14 всего объема, и если бы удалось сжать все вещество 100 000 000 т воды до плотности атомных ядер, то его объем составил бы 1 см³. Таким образом, почти все пространство «вещества» занято различными полями, переносящими взаимодействия между частицами.

Но можно ли с полным правом назвать веществом сами атомные ядра? Не состоят ли они из такой материи, которая вовсе не является веществом? Исследования показывают, что протоны и нейтроны не заполняют сплошь атомные ядра, а занимают примерно 1/50 часть объема, тогда как остальное пространство занято электромагнитным, гравитационным и ядерным полями. При этом ядро вовсе не существует в виде некоторой неизменной системы нуклонов, поскольку нуклоны находятся в состоянии необычайно интенсивного движения. Итак, дойдя до последних и, казалось бы, «подлинных» частиц вещества — атомных ядер, мы обнаруживаем, что они не являются только веществом, но главным образом состоят из материальных полей.

Нельзя рассматривать в качестве истинных частиц вещества — как противоположность полю — также и элементарные частицы. Современная теория рассматривает различные частицы как кванты или возбужденные состояния соответствующих материальных полей: протоны и нейтроны — как кванты нуклонного поля, мезоны — как кванты нескольких типов мезонных полей, электроны и позитроны — как кванты электронно-позитронного поля и т. д. Понятие поля считается более общим, чем понятие частицы, так как возможны особые вакуумные состояния полей без частиц. Как же в таком случае определить вещество? И вот здесь мы подходим к одному из важнейших выводов современной физики — к выводу об относительности различия между полем и веществом.

Деление всей материи на поле и вещество является первым грубым приближением, верным в основном при общем макроскопическом взгляде на мир. Только здесь можно провести качественное различие полей и вещества в смысле характера массы, законов движения, степени проницаемости и т.д. Но как только мы переходим к исследованию микроструктуры самого вещества, к свойствам элементарных частиц, то наше макроскопическое деление всей материи на две формы становится уже неточным. Противопоставление поля и вещества в плане микроструктуры материи становится неверным.

Раньше с понятием поля связывали такую форму материи, которая переносит взаимодействия между частицами вещества, в то время как сами эти частицы считались неизменными и сохраняющимися при всех превращениях. Однако за последние десятилетия подобные представления о частицах были изменены. Было доказано, что сами частицы могут возникать и исчезать, выступая в форме передатчиков взаимодействий между квантами поля. Так, при порождении электронов и позитронов фотонами и обратном превращении этих частиц в фотоны «вещественные» частицы выступают как передатчики взаимодействий между квантами электромагнитного поля. Аналогичную роль также могут выполнять некоторые мезоны, которые порождаются при рассеянии фотонов большой энергии на атомных ядрах, а затем превращаются в фотоны. В атомных ядрах мезоны выступают как кванты ядерного поля, хотя они обладают массой покоя и должны как будто сводиться к веществу. Если же мы возьмем каскадные процессы, вызываемые космическими лучами, то здесь можно видеть множество различных частиц, которые возникают и превращаются в другие формы, выступая в роли передатчиков взаимодействий между исходными и конечными разновидностями частиц. Грань между веществом и полем в таких процессах практически стирается, так как возможна универсальная взаимопревращаемость частиц и полей. В области больших энергий частицы, подобно полям, обладают множеством степеней свободы.

Долгое время считали (а многие считают еще и сейчас), что основной водораздел между полем и веществом состоит в том, что вещество обладает массой покоя, в то время как поле лишено ее. Гравитационное и электромагнитное поля, по современным взглядам, действительно не обладают массой покоя. Однако, когда возникли представления о мезонных и электронно-позитронных полях, а также полях других частиц, обладающих массой покоя, то указанное разграничение потеряло смысл.

Выше отмечалось, что можно разделить поле и вещество по признаку различия закономерностей их движения. Это разграничение в определенной мере правильно, но и оно становится недостаточным, если в число квантов поля включаются частицы с конечной массой покоя, которые могут двигаться с любой скоростью, меньшей скорости света.

Нельзя провести абсолютную грань между полем и веществом и по признаку проницаемости поля и непроницаемости вещества, так как космические лучи большой энергии и особенно нейтрино могут пронизывать значительные толщи вещества. В то же время ядерное поле обладает очень малой проницаемостью.

Наконец, делалась попытка связать представление о веществе с наличием огромной концентрации материи и энергии в веществе в отличие от поля. Но и этот признак нельзя считать достаточным основанием для разграничения поля и вещества, поскольку существуют фотоны настолько большой энергии, что они могут порождать при столкновениях с атомными ядрами электроны, позитроны, мезоны и другие микрочастицы.

Этот перечень неудачных попыток отыскать абсолютную грань между полем и веществом можно было бы продолжить, но уже приведенные примеры доказывают, что в природе, в соответствии со словами Энгельса, нет никаких непримиримых противоположностей, никаких насильственно фиксированных разграничительных линий и что если в природе встречаются противоположности и различия, то их неподвижность и абсолютность привносятся в природу нашим сознанием.

По отношению к элементарным частицам уже нельзя ставить вопрос: что они — поле или вещество? Ибо эти микрообъекты обладают одновременно как свойствами полей, так и свойствами той формы материи, которую мы привыкли определять как вещество. Вещество представляет собой значительно более сложное образование, чем микрочастицы. В плане своей микроструктуры вещество — это совокупность частиц и полей с конечной и нулевой массой покоя. Понятие поля и вещества в отношении элементарных частиц с конечной массой покоя характеризует не различные материальные объекты, а одни и те же. И если мы говорим в отношении электронов, позитронов, мезонов и нуклонов, что они являются частицами вещества, то это не следует понимать в том смысле, что они противоположны полю. Этим определяется лишь их принадлежность к некоторой материальной совокупности, которую мы определяем как вещество. Следует учесть также, что терминология является одной из наиболее консервативных сторон науки, и старый термин часто по-прежнему употребляется, хотя содержание у него может быть уже совсем иным.

Это, конечно, не значит, что вещество как вид материи исчезает, сводится к чему-то неуловимому. Это значит лишь, что наши представления о материи продвинулись еще на одну ступень глубже; сама же эта материя по-прежнему существует и движется по своим закономерностям, которые лишь приблизительно отражаются нашим сознанием. И если вывод о полевой микроструктуре вещества может показаться совершенно необычным, поскольку поле многие представляют себе чем-то неуловимым и ускользающим, то это еще не является достаточным основанием для сомнения в верности результатов современной физики, которые находят всестороннее подтверждение на опыте. Нужно просто изменить наши представления о поле и привести их в соответствие с данными науки. Точка зрения наивного реализма не может служить критерием оценки теоретических выводов. Тем более неверно выдавать эту точку зрения за взгляд диалектического материализма на материю и на основании этого подвергать сомнению результаты физических теорий. «Разрушимость атома, неисчерпаемость его,— подчеркивал В. И. Ленин,— изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи...»^[1]

Итак, макроскопическое деление всей материи на две основные формы — поле и вещество — с принципиальной стороны является нестрогим и неточным. Оно не оправдывается для микропроцессов, где правильнее говорить о частицах и полях. Что же касается вопроса об основных формах материи, то, очевидно, таких форм существует не две, а значительно больше. На наш взгляд, при выяснении того, что следует относить к основным формам материи, в качестве критерия необходимо учитывать не одно какое-либо свойство — например, массу, а совокупность всех основных свойств и закономерностей движения тел в их органическом единстве. Основные формы материи — это такие совокупности материальных объектов, которые характеризуются общностью важнейшие свойств и закономерностей движения. Если подходить к определению основных форм материи с точки зрения данного критерия, то тогда в число их необходимо включить качественно различные частицы и поля, а также молекулы, макроскопические неорганические тела, живое вещество и т. д. Каждая из этих форм материи обладает общими дчя всех ее составных элементов свойствами и закономерностями существования, которые несводимы к закономерностям других основных форм материи. Количество таких основных форм материи должно расширяться по мере исследования строения материи.

Возвращаясь к проблеме частиц и полей, заметим, что понимание различных элементарных частиц как квантов различных полей представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с чисто корпускулярным взглядом на них. Оно открывает путь к пониманию внутренней сущности взаимопревращения микрочастиц, а также природы их основных свойств, хотя на этом пути стоят еще значительные трудности, связанные с устранением бесконечных расходящихся значений для массы, энергии и заряда частиц. Наконец, полевая концепция материи может иметь большое значение для правильного понимания структуры элементарных частиц.

В процессе развития представлений о полевой микроструктуре вещества в качестве особого направления выделилась так называемая единая теория поля, которая развивалась главным образом Эйнштейном. Эйнштейн, посвятивший последние 30 лет своей жизни разработке этой теории, пытался объединить электромагнитное и гравитационное поля, рассматривая их как различные проявления некоторой единой сущности — единого поля. Если бы удалось найти уравнения для этого поля, то из них можно было бы как следствие вывести факт существования различных элементарных частиц и полей, а также их основные свойства и закономерности поведения. Несмотря на то, что большинство ученых скептически относилось к этой проблеме, а некоторые даже считали ее антинаучной, идеалистической, Эйнштейн упорно работал над созданием такой теории. Тем не менее достичь положительных результатов ему не удалось.

Самая идея единого поля заслуживает серьезного внимания, поскольку она исходит из принципа единства мира. Однако решение данной проблемы Эйнштейном и даже самая формулировка ее содержит много спорных моментов.

В общей теории относительности Эйнштейна гравитационное поле рассматривается не как особая форма материи, а как искривление пространства — времени. Такое же понимание распространяется и на другие поля, в том числе на гипотетическое единое поле. Целью единой теории поля Эйнштейн считал создание такой теории пространства и времени, из которой можно было бы вывести все особенности элементарных частиц и полей.

Причина неудачи в создании единой теории поля лежит, по-видимому, во многих факторах. К ним относится прежде всего необычайная математическая сложность самой проблемы. Но немалую роль сыграла также и неправильная методологическая формулировка проблемы — свести различные частицы и поля к свойствам пространства и времени.

Соотношение материи и пространства — времени здесь перевертывалось на голову. Вместо того, чтобы считать пространство и время формами бытия материи, то есть производными по отношению к материи, сама материя геометризировалась, понималась как нечто производное по отношению к пространству и времени. Пространственно-временной континуум возводился в ранг самостоятельной физической сущности, своего рода субстанции, тогда как в действительности единственной субстанцией является только материя.

Попытки геометризировать материю имеют также и другую слабую сторону. Сведение всех частиц и полей к единому полю и понимание последнего как искривления пространства— времени означает по существу сведение прерывного к непрерывному. Но эта операция неосуществима. Как справедливо замечает Д. Иваненко, невозможно вывести «квантовую теорию или теорию электрона и других частиц из той или иной классической теории поля, сформулированной в данном случае геометрическим образом... В классических уравнениях отсутствует квантовая постоянная h, и заменить ее какой-либо комбинацией имеющихся констант, т. е. скоростью света с и константой тяготения х, нельзя»^[2].

Следовательно, невозможно целиком устранить прерывность микрообъектов, связанную с наличием кванта действия, и свести все к непрерывности. Материя всегда выступает как единство противоположностей.

Но было бы неправильно рассматривать теорию единого поля как совершенно ошибочное, тупиковое направление в физике. Ее важнейшие положения о единстве различных форм движущейся материи заслуживают глубокого внимания и должны разрабатываться дальше, хотя, очевидно, на другой основе, чем предполагалось ранее. Несомненно, различные микрочастицы и поля имеют нечто общее в своей структуре, их материальная основа едина во многих своих свойствах. Это доказывается прежде всего фактом универсальной взаимопревращаемости различных частиц и полей. Вполне возможно, что мезоны различных масс представляют собой возбужденные состояния одного или двух основных видов мезонных полей, подобно тому как гипероны, по-видимому, представляют собой возбужденные состояния нуклонов. Высказывается также идея о глубоком внутреннем единстве электромагнитного и гравитационного полей, которая должна получить детальную разработку в будущей теории электрогравитации.

Таким образом, историческое развитие естествознания ведет к признанию единства материи. Это не следует, однако, понимать в том смысле, что когда-нибудь будет открыта некоторая «первоматерия», различные количественные сочетания которой составляют все многообразие тел. Если мы говорим, что многообразное едино в своей основе, то с таким же основанием можно сказать, что единое бесконечно многообразно в своей структуре и проявлениях. Поэтому, если единое поле действительно существует, оно должно быть неисчерпаемым в своей структуре. Вслед за познанием этой сущности откроется новая, значительно более глубокая сущность, лежащая в основе данного поля.

Каким же образом в свете сказанного можно решить проблему прерывного и непрерывного, поставленную в конце предыдущего параграфа? Анализ исторического развития взглядов на строение материи говорит о наличии постоянной борьбы между теориями, стремящимися свести непрерывное к дискретным элементам, и теориями, которые считают все дискретное вторичным по отношению к непрерывному, лежащему в основе материи.

В наиболее резко выраженной форме первую концепцию характеризует старая атомистика, вторую — теория бесконечной делимости материи. В физике XVII—XIX вв. предпринимались попытки примирить обе теории и объединить их в рамках более общих представлений. Однако эти попытки были непоследовательными. Теория Фарадея — Максвелла склоняется в большей степени ко второй концепции, поскольку электромагнитное поле здесь рассматривается как первичная непрерывная среда, а заряды считаются узловыми точками поля. В электронной теории Лоренца, напротив, преобладает взгляд на заряды как на первичные по отношению к полю сущности. Квантовая теория поля опять возвращается к идее первичности полей. Мы наблюдаем, таким образом, нечто вроде ряда спиралей в развитии научного познания материи, которое осуществляется путем отрицания отрицания. Каждая более совершенная концепция отрицает предыдущую, но вместе с тем включает в себя ее положительные стороны, благодаря чему познание идет в общем по восходящей линии, по расширяющейся спирали.

Можно полагать, что и современная квантовая теория поля не даст окончательного решения проблемы прерывного и непрерывного, связи частиц и полей. Скорее всего истина заключается не в том, чтобы одно из понятий — полей или частиц, непрерывное или прерывное, — считать первичным по отношению к другому. В теоретическом аппарате современной физики можно как заряды выводить из поля, так и поле из зарядов. Истина заключается, очевидно, в диалектическом сочетании обоих представлений. Понятия причины и следствия здесь неприменимы, поскольку заряды и поле неотделимы друг от друга. Поле создается зарядами, и в то же время каждое из полей воздействует на частицы и обусловливает их свойства. Если же частицы и рассматриваются как квантовые эффекты полей, то этим лишь подчеркивается их неразрывное единство с различными полями. Вполне возможно, что как различные частицы, так и известные в настоящее время поля представляют собой формы проявления некоторой единой формы материи, лежащей в их основе. Ее исследование явится задачей будущей теории.

3. Единство корпускулярных и волновых свойств микрообъектов

Неразрывная взаимосвязь прерывного и непрерывного находит свое конкретное выражение и в единстве корпускулярных и волновых свойств микрообъектов. Факт одновременного наличия у всех частиц подобных противоречивых свойств был установлен примерно 30 лет назад, но его теоретическое и философское истолкование не завершено до сих пор.

Основные предпосылки современных воззрении на корпускулярные и волновые свойства были подготовлены еще развитием теории света в XVII—XIX вв. На протяжении всего последующего периода в истолковании природы света соперничали между собой корпускулярная и волновая теории. Первая из них, развивавшаяся Ньютоном и его последователями, рассматривала свет как поток частиц, тогда как вторая теория, выдвинутая Гюйгенсом, считала свет волновым процессом, происходящим в эфире. Некоторые факты, такие, как прямолинейность распространения света, хорошо объяснялись на основе корпускулярной теории, тогда как ряд других явлений — только на основе волновой. К числу последних явлений относится дифракция — загибание светового луча внутрь геометрической тени, а также интерференция — взаимное ослабление и усиление световых потоков при пропускании их через мелкие отверстия и кристаллы.

Долгое время казалось, что волновая и корпускулярная теории непримиримы между собой, но открытие Эйнштейном фотонов указало путь к их объединению. Введенная Эйнштейном формула для энергии фотона Е = hν связывала корпускулярные и волновые представления о свете. Если v выражает частоту колебаний фотона, то hпредставляет собой квант действия — символ дискретности микроявлений. А это значит, что свет представляет собой единство противоположностей.

Между длиной волны фотона и его импульсом можно установить определенную связь: (h — длина волны р — импульс). В 1925 г. Луи де Бройль показал, что эта формула применима не только для фотонов, но и для частиц с конечной массой покоя. С каждой частицей можно связать некоторую длину волны, величина которой обратно пропорциональна импульсу или количеству движения частицы:

Из этой формулы следует, что с возрастанием скоростидвижения и массы частиц преобладают корпускулярные свойства, а с уменьшением — волновые. Для макроскопических тел, обладающих сравнительно большой массой, длина волны ничтожно мала, так что ею можно полностью пренебречь. Но для микрочастиц она достигает значений, сравнимых с размерами атомов, благодаря чему возможна дифракция электронов при рассеянии их на других частицах.

Пропуская поток электронов через кристалл, можно получить на экране или фотопластинке типичную интерференционную картину — чередование темных и светлых кругов. Такая картина возникает независимо от того, пропускается ли через кристалл сразу большое количество частиц, или же они пускаются поодиночке, с относительно большим интервалом времени. В последнем случае интерференционные круги или полосы возникают не сразу, а постепенно, статистически. Этот факт доказывает, что волновые свойства не являются результатом одних только коллективных взаимодействий, но присущи каждой микрочастице в отдельности. Конечно, отдельная микрочастица сама по себе не может дать интерференционной картины. Попадая на пластинку, электрон или фотон зафиксирует себя в виде точки. Но рассеяние частицы произойдет именно в тех направлениях, где находятся светлые полосы, то есть максимумы интерференционной картины. В темные места частицы совсем не будут попадать. Это значит, что в темных местах амплитуда волнового поля будет равна нулю, тогда как в светлых местах она будет максимальной.

Рассуждая таким образом, мы можем связать вероятность рассеяния фотона или электрона в определенном направлении с его волновыми свойствами. Волновые свойства будут определять вероятность нахождения частиц в данном объеме пространства. Для электромагнитного поля мерой интенсивности поля в данном объеме будет квадрат амплитуды электромагнитных колебаний. Если полю сопоставить фотоны, то квадрат амплитуды будет характеризовать соответствующее число фотонов в данном объеме. Аналогично для электронов квадрат амплитуды волны в данном месте выражает меру вероятности найти частицу в данном месте.

Проходя через кристалл или дифракционную решетку, электрон взаимодействует не с одним каким-либо атомом, а со всей совокупностью атомов в прилегающей области. Благодаря такому взаимодействию он рассеивается лишь в определенных направлениях, причем его попадание в некоторую точку интерференционной картины определяется вероятностными законами.

Единство корпускулярных и волновых свойств проявляется не только в этих опытах. Если производить облучение рентгеновскими лучами электронов, то можно будет заметить, что при рассеянии электронами фотонов частота фотона меняется в зависимости от угла рассеяния (так называемый эффект Комптона). Это явление нельзя объяснить, если рассматривать микрообъекты или как корпускулы, или как волны, а не считать их такими образованиями, которые объединяют в себе и корпускулярные, и волновые свойства.

Сочетание в микрообъектах таких противоречивых свойств кажется недопустимым с точки зрения привычных нам представлений. В классических понятиях, отображающих макроскопические явления, нет таких образов, которые адекватно выражали бы противоречивую сущность микрочастиц. Это дало повод некоторым ученым отрицать единство в микрообъектах данных свойств и утверждать, что будто они не присущи микрообъектам, а лишь создаются при взаимодействии с измерительными приборами. По мнению Н.Бора, корпускулярный и волновой аспекты являются дополнительными и взаимно исключающими друг друга, причем следует говорить не о свойствах микрообъектов, а об измерительных установках, из которых одни могут быть описаны при помощи понятия положения корпускул, а другие—при помощи понятия длины волны. Что же касается микрочастиц, то они якобы не обладают реальностью, поскольку микроявления не существуют независимо от наблюдения или за пределами наблюдательных данных. Еще в 30-х годах Бор провозгласил, что нельзя приписать самостоятельную физическую реальность объектам атомного мира. Развивая этот взгляд, Филипп Франк писал, что мы не можем назвать электрон материальной частицей. «Электрон — это комплекс физических величин, которые мы вводим, чтобы установить систему принципов, из которых мы можем логически вывести показания измерительных приборов»^[3]. Все трудности, по мнению Франка, возникают от того, что говорят об объектах, вместо того чтобы говорить о способах употребления слов. Согласно концепции дополнительности, микрообъекты не существуют независимо от наблюдений. Существовать — значит быть воспринимаемым; таков субъективно-идеалистический вывод, вытекающий из этой концепции.

Подобные утверждения противоречат всем данным современной науки. Свойства микрообъектов существуют объективно, независимо от нашего сознания, и лишь проявляются в актах измерения, причем корпускулярные и волновые свойства проявляются в экспериментах не в отдельности, в зависимости от класса измерительных установок, а в неразрывном единстве между собой. Если, например, пропускать поочередно через кристалл электроны и наблюдать характер их рассеяния на фотопластинке, то можно видеть, что каждый электрон дискретно локализуется на пластинке, а рассеивается по волновым законам, так что из множества точек постепенно образуется интерференционная картина. В эффекте Комптона рентгеновский квант рассеивается на электроне как частица, но изменяет частоту колебаний, как волна.

Одновременное наличие корпускулярных и волновых свойств кажется несовместимым только тогда, когда их единство пытаются представить вне движения, в состоянии покоя частиц. Действительно, если понятие частицы, выражающее дискретный аспект материи, сохраняет свой смысл и для состояния покоя микрообъектов, то понятие волны в применении к покоящейся частице кажется совершенно абсурдным. Если частица попадает на фотопластинку, то ее локализация означает уничтожение волновых свойств, если же она распространяется, как волна, то нельзя говорить о ее точечной локализации, о движении по механической траектории.

Все это совершенно правильно, но при всесторонней оценке свойств микрообъектов мы не должны искусственно расчленять одно явление на взаимно исключающие аспекты. Важно помнить, что единство корпускулярных и волновых свойств осуществляется не в каждом из этих состояний в отдельности, а лишь в процессе движения микрообъектов. Будучи локализована в пространстве как дискретное образование, микрочастица распространяется по волновым законам, так что квадрат амплитуды волны выражает меру вероятности нахождения частицы в данном объеме пространства. По своей природе микрообъекты не являются ни волнами, ни частицами, и не смесью тех и других, но представляют собой весьма сложные образования, диалектически сочетающие в себе противоположные качества. В нашем языке пока нет соответствующих понятий для адекватного отображения их строения, и поэтому мы описываем их с помощью привычных нам представлений, которые здесь оказываются неточными. Как говорил Ф. Бэкон, человеческий ум подобен кривому зеркалу: он отражает природу вещей, привнося в нее свою собственную природу.

Чтобы раскрыть сущность волновых свойств микрообъектов, необходимо эти свойства связывать не только с законами движения частиц, но и с их структурой. В этом отношении значительные перспективы открывает полевая теория, рассматривающая микрообъекты как возбужденные состояния различных полей. Распространение возбуждений в полях происходит по волновым законам, что как раз соответствует характеру движения микрочастиц.

Из факта единства корпускулярных и волновых свойств вытекают важные выводы, имеющие принципиальное значение для понимания вопроса о причинности в микроявлениях. Эти выводы коренным образом отличны от представлений классической физики о причинности. В классической механике считается, что каждая микрочастица одновременно обладает сколь угодно точными значениями координат и импульса, которые можно в принципе определить в каждый момент движения частицы по механической траектории. Подобное убеждение основывалось на понимании микрочастиц как микроскопических твердых шариков или материальных точек. Квантовая механика показала неверность такого подхода к микрочастицам. Элементарные частицы — это не микроскопические шарики и не материальные точки, а поэтому к ним неприменимы понятия классической физики об одновременном точном значении координат и импульса. Действительно, импульс электрона можно выразить через его длину волны . Предположим, что производится определение координат электрона или фиксирование его в точке. В точке длина волны оказывается равной нулю, вследствие чего импульс будет бесконечным, или неопределенным, поскольку бесконечность не имеет здесь физического смысла. Из некоторых других положений следует, что при абсолютно точном определении импульса неопределенными становятся координаты или местоположение электрона. Произведение неточностей координат и импульса оказывается примерно равным постоянной Планка: ∆х·∆р≥^h. Эта формула представляет собой известное соотношение неопределенностей Гейзенберга. Из него следует, что если ∆х стремится к нулю, то ∆р стремится к бесконечному значению, и наоборот.

Соотношение неопределенностей является следствием корпускулярно-волновой природы микрообъектов. Оно имеет важное значение для решения проблемы конечного и бесконечного в микромире. Если в классической физике господствовало убеждение о том, что, как бы малы ни были микроявления, они подчиняются тем же закономерностям, которые имеются в макромире, что структура бесконечно большого и бесконечно малого однородна, то современная физика указывает на качественное различие этих закономерностей и свойств.

Новизна и своеобразие следствий из соотношения неопределенностей столь значительны, что осознаются с трудом и зачастую представляют повод для неверных толкований микропроцессов. Иногда утверждают, что микрочастицы в действительности обладают одновременно точными значениями координат и импульса, но соотношение неопределенностей запрещает их определение, чем протаскивают агностицизм в науку. Несомненно, однако, рассуждают далее сторонники этой точки зрения, что наука преодолеет этот воздвигнутый предел и достигнет значительно большей точности в определении данных свойств электрона. Подобно тому как электронный микроскоп далеко превзошел пределы разрешающей способности оптического микроскопа, так найдутся неизмеримо более тонкие средства воздействия на электрон, чем кванты света, которые позволят значительно точнее определить координаты и импульс, и тем самым превзойти соотношение неопределенностей.

Подобные рассуждения, несмотря на их внешнюю убедительность и оперирование материалистической терминологией, в действительности неверны, так как протаскивают в физику идею дурной бесконечности в понимании свойств микромира. Как бы малы ни были масштабы, объекты этих областей должны якобы обладать теми же свойствами, которые мы привыкли видеть или ожидать у макроскопических тел.

Между тем электрон и другие элементарные частицы являются такими формами материи, которым объективно неприсущи точные значения координат и импульса одновременно. Мы не можем, например, определить с абсолютной точностью ту границу, где кончается атмосфера Земли, не можем не потому, что познание якобы имеет пределы, а потому, что такой точной границы объективно не существует. Плотность воздуха постепенно убывает с расстоянием, пока не становится равной средней плотности межзвездной среды. Так и в случае электрона верхние пределы точности определения координат и импульса обусловлены не ограниченностью нашей способности познания, а тем, что у электрона объективно нет данных характеристик. Соотношение неопределенностей как раз указывает пределы применимости к электрону классических понятий координаты и импульса.

К микрочастицам неприменимо также понятие о механическом движении по траектории, поскольку с представлением о траектории связывается возможность одновременного определения координат и импульса тела. Микрообъекты движутся по сложным волновым законам, которые описываются квантовой механикой и электродинамикой. В соответствии с этим причинно-следственная связь проявляется в микромире в качественно иных формах, чем было известно в классической механике.

Классическая механика исходила из того, что состояние системы, достаточно изолированной от внешних влияний, определяется внутренними силами, причем таким образом, что взаимодействие любых составных элементов в данный момент времени однозначно определяет состояние системы на любой будущий период времени. В прошлом было заложено то, что существует в настоящем, а в настоящем заложены все будущие события. Зная расположение и импульсы всех частиц системы, можно предвычислить ее состояние на любое будущее время.

Подобная концепция механического детерминизма имела некоторые основания в небесной механике, где по известным начальным положениям планет и Солнца можно предвычислить их положения на любой будущий момент времени, а значит, предсказать даты затмений, противостояний планет и т. п. Считалось, что аналогичная, хотя, быть может, и намного более сложная, картина наблюдается и во всех других процессах природы. Поэтому если бы удалось узнать все характеристики поведения атомов, а затем решить бесчисленное множество уравнений для них и просуммировать решения, то можно было бы совершенно точно сказать, каково было поведение системы в прошлом и что случится с ней в будущем, даже весьма отдаленном.

Механический детерминизм сыграл большую роль в борьбе против религиозной идеологии феодального общества, поскольку он отрицал существование божественного провидения и выводил все явления природы из взаимодействий атомов. Но в своем крайнем выражении он приводил к фатализму, правда не религиозному, а материалистическому. Самые незначительные события считались, согласно этой точке зрения, незыблемыми и неизбежными, причем необходимость их осуществления была заложена уже в далеком прошлом. «С необходимостью этого рода, — писал Энгельс, — мы тоже еще не выходим запределы теологического взгляда на природу. Для науки почти безразлично, назовем ли мы это... извечным решением божиим, или, вместе с турками, кисметом, или же необходимостью. Ни в одном из этих случаев нет и речи о прослеживании причинной цепи... Случайность не объясняется здесь из необходимости; скорее, наоборот, необходимость низводится до порождения голой случайности»^[4].

Ограниченность механического детерминизма, вскрытая основоположниками марксизма, со всей очевидностью выявилась в квантовой механике. Соотношение неопределенностей показало неправильность самой исходной постановки вопроса о возможности одновременного точного определения координат и импульса, необходимого для точного предсказания поведения частиц на будущее. Оказалось, что характер движения микрообъектов зависит от их бесчисленных связей и взаимодействий друг с другом, от особенностей их внутреннего строения. Учесть все эти сложные внутренние и внешние связи квантовая механика не в состоянии. Невозможно также проследить историю одной частицы на сколько-нибудь длительное время, поскольку микрочастицы постоянно превращаются из одних форм в другие. Правда, решение уравнения Шредингера дает возможность предсказания поведения частицы на некоторое будущее время, однако это время весьма ограниченно, и само предсказание носит вероятностный характер, что очень далеко от идеала классического детерминизма.

Существенной особенностью, вытекающей из нового понимания причинности, является то, что современная физика признает неоднозначность следствий, вытекающих из данной совокупности причин. Разберем в качестве примера опыт по рассеянию электронов дифракционной решеткой. В этом процессе электроны с наибольшей вероятностью попадают лишь в те участки интерференционной картины, которые в общем заранее можно указать. Но мы не можем точно сказать, в какую именно точку экрана попадет электрон. Является ли эта неопределенность в предсказании принципиальной, и если да, то в чем ее причина?

Причины того или иного рассеяния электрона коренятся в его взаимодействиях со всей совокупностью атомов решетки или кристалла по пути движения. Эти взаимодействия необычайно многообразны, и учесть их современная теория не в состоянии. Важно отметить также, что характер внешних связей электрона с другими частицами определяется его внутренними связями или структурой, которая сейчас неизвестна. Благодаря этому в еще большей степени усугубляется неопределенность в предсказании места попадания электрона на экране. Можно лишь сказать, что электрон при рассеянии попадет в один из кругов интерференционной картины, но в какой именно и в какое место — неизвестно.

Эта неопределенность частично не является принципиальной. Если бы удалось учесть все внешние связи электрона, определяющие характер его рассеяния, то можно было бы с гораздо большей точностью указать область его попадания. Однако это уточнение не может быть беспредельным, или во всяком случае оно не может быть сведено к размерам порядка размеров электрона. Благодаря соотношению неопределенностей, которое представляет собой объективный закон природы, даже при полном учете всех связей и взаимодействий электрона останется известная неопределенность в характере его рассеяния, вследствие чего предсказываемая область попадания всегда будет значительно больше собственных размеров электрона. Следовательно, при заданных причинах вытекающие из них следствия осуществляются не однозначно, а с большей или меньшей вероятностью, что говорит о новых формах причинности в микромире.

Известная неопределенность в поведении микрообъектов не означает, что рассматриваемые явления абсолютно самопроизвольны, индетерминированы. Они, несомненно, имеют под собой причины, и не одну, а множество. Но эти причины коренятся уже не во внешних связях элементарных частиц, а в их внутренних связях, в неисчерпаемости их структур. Действие этих внутренних связей приводит к тому, что на поверхности явлений — в сфере эксперимента — «всплывают» то одни, то другие результаты. Выступающая в опыте закономерность образуется статистически, в результате сложения множества других, более глубоких закономерностей, познание которых является задачей будущей теории.

Открытие новых форм причинности в микромире послужило для «физических» идеалистов поводом для новых нападок на материализм. Реакционные поползновения, говорил В. И. Ленин, порождаются самим прогрессом науки. Ссылаясь на некоторое «принципиально неконтролируемое» воздействие прибора на объект, отдельные ученые заявляют, будто это воздействие нарушает принцип причинности. Дирак писал: «Закон причинности может применяться только к системе, которая не подвергается возмущениям. Если система мала, то невозможно наблюдать ее, не производя в ней серьезных возмущений, а следовательно нельзя ожидать, что между результатами наблюдений будет существовать какая бы то ни было причинная связь. Поэтому в квантовой теории имеет место принципиальный индетерминизм»^[5].

Отрицание объективного характера причинности обусловлено тем, что многие ученые, не знакомые с диалектическим материализмом, отождествляют принцип причинности с механическим детерминизмом и на основании неверности последнего объявляют опровергнутым принцип причинности вообще. Так, Эддингтон, приводя слова древнего поэта Омара Хайама: «В первое утро творения было предначертано то, что будет прочитано в последний день расплаты», пишет, что это высказывание полностью выражает его понимание детерминизма. «Детерминизм означает предопределение»^[6]. Поскольку же в природе предопределения нет, значит нет и причинной связи.

Другим идеалистическим выводом из соотношения неопределенностей является отрицание объективного характера пространства и времени. Ссылаясь на то, что точное определение импульса ведет к полной неопределенности в знании координаты, некоторые физики заявляют, что в этом случае нарушается пространственно-временное течение процесса. «...Атомные процессы, — пишет Гейзенберг, — не всегда могут быть представлены как объективные, происходящие в пространстве и времени... Неделимая элементарная частица современной физики обладает свойством занимать пространство не в большей мере, чем другими свойствами, как например, цветом и твердостью. По своему существу она является не материальным образованием во времени и пространстве, а до некоторой степени только символом, при введении которого законы природы принимают особенно простую форму»^[7].

На основе идеалистического толкования принципа неопределенностей получила широкое распространение теория дополнительности Бора. Эта теория считает, что существует два класса приборов, из которых один класс позволяет определять пространственно-временные, другой — импульсно-энергетические характеристики. Первые характеристики являются условием существования частиц в пространстве и времени, вторые — условием причинного поведения микрообъектов. По мнению Бора, обе эти группы характеристик взаимно исключают друг друга. Знание одной из них приобретается ценой отказа от другой. В связи с этим Бор выдвигает следующую пресловутую альтернативу: либо мы описываем частицы в пространстве и времени, и тогда принцип причинности является фикцией, либо принцип причинности справедлив, но тогда следует признать, что микрочастицы существуют вне пространства и времени. Источником подобных путаных рассуждений является неправильное понимание пространства — времени и причинности. Пространство и время рассматриваются здесь не как объективно существующие формы бытия материи, а как субъективные формы восприятия мира. Если в данном опыте пространственно-временные характеристики не выступают, являются неопределенными, то делается вывод о том, что частицы существуют вне пространства и времени. Объектом теории считаются лишь наблюдаемые величины, что же касается ненаблюдаемых величин, то они считаются вообще несуществующими.

Отрицая объективность пространственно-временных отношений микрообъектов, идеалисты избегают логически обоснованного ответа на вопрос о том, что же значит подобное отрицание. Ибо если мы признаем существование и движение микрообъектов, то тем самым мы признаем и реальность пространства — времени, в которых происходит движение; в противном случае невозможно понять движение. Поэтому философия, признающая реальность движения тел, но отрицающая пространство и время, внутренне противоречива. Чтобы согласовываться хотя бы с элементарными требованиями логики, эта философия должна была бы отрицать и объективность движения, а вместе с ним объективность материи. Но в таком случае вообще не о чем говорить. Нельзя даже говорить о том, что мир представляет собой совокупность человеческих ощущений, поскольку ощущения принадлежат человеческому организму, который представляет собой особую форму материи, а материя, согласно принятой идеалистами посылке, не существует.

Софизм идеалистической философии заключается в том, что она доказывает одно, а объявляет опровергнутым совсем другое. На основании того, что при определении импульса становится неопределенной координата, делается нелогичный вывод о существовании микрочастиц вне пространства, тогда как неопределенность в значении импульса при определении координат истолковывается как «доказательство» отсутствия причинности. Подобными софистическими приемами можно доказать все что угодно, но все эти «доказательства» будут основаны на подтасовках.

Все данные физики убедительно говорят о том, что микрообъекты не только обладают пространственно-временными свойствами, но и подчиняются принципу причинности. Этот принцип вовсе не означает, что развитие предопределено и что из настоящего совершенно однозначно следует будущее, пусть даже самое отдаленное. Он означает лишь, что нет действия без причины, что причинно-следственные отношения проявляются в виде строгих закономерностей, управляющих различными явлениями. В микромире как раз имеются такие закономерности, и квантовая механика частично раскрыла их, сформулировав различные уравнения движения для элементарных частиц и полей. Решение этих уравнений дает возможность с достаточной точностью описать самые разнородные явления, а также использовать их в промышленности и технике. Открытие способов высвобождения и использования атомной энергии не было бы возможным, если бы наука не обладала знанием закономерностей, которые управляют внутриатомными явлениями.

Наличие у микрообъектов волновых свойств приводит к существенно новому пониманию пространственных размеров элементарных частиц, что имеет большое значение для правильного понимания взаимоотношения между конечным и бесконечным в строении материи. Обычно считается, что линейные размеры и объем любого тела в принципе можно выразить со сколь угодно большой точностью. Пределы точности обусловлены лишь ограниченностью измерительных приборов, объективно же тела обладают абсолютно точными размерами, и уточнение в определении размеров может производиться до бесконечности.

Однако в действительности это не так. Уточнение объема и некоторых других величин на некотором этапе становится уже невозможным и теряет свой смысл. Количественные изменения здесь приводят к резкому изменению качества, а к новому качеству оказываются неприменимы старые количественные операции. Например, нельзя определить со сколь угодно большой точностью давление газа в сосуде. Это давление складывается из множества ударов отдельных молекул о стенки сосуда, и, дойдя в нашем уточнении до силы удара отдельной молекулы, мы не сможем двигаться дальше, ибо за этой областью понятие давления неприменимо. Равным образом если мы определяем длину или объем какого-либо твердого тела, то при точности измерений порядка атомных масштабов дальнейшее уточнение теряет смысл. Во всяком теле происходит непрерывное движение атомов и молекул, колебание их около определенных центров равновесия. С поверхности тела некоторая часть атомов постоянно переходит в окружающую среду, а из среды поглощается телом. Вследствие этого размеры и масса тела, начиная с некоторых масштабов точности, постоянно изменяются. Таким образом, тела объективно не обладают абсолютно точными и неизменными размерами, массами и другими характеристиками. Выше уже отмечалось, что такое свойство, как магнитный момент нуклонов, не является чем-то неизменно существующим, но представляет собой статистически среднее во времени, так как он возникает в результате временной «диссоциации» нуклонов и возникновения π-мезонов. Возможно, что и другие свойства элементарных частиц возникают как статистически среднее от некоторых глубоких и тонких взаимодействий. Все эти эффекты в настоящее время, по-видимому, лежат за пределами возможностей измерения и поэтому с практической точки зрения пока не имеют особенного значения. Достигаемая точность измерений с практической стороны в большинстве случаев бывает вполне достаточной, что и создает у нас подсознательное убеждение в том, что любые свойства можно измерять со сколь угодно большой точностью.

Еще более сложно обстоит дело с атомами и элементарными частицами. Их размеры определяются весьма ориентировочно, по результатам рассеяния на них других частиц. Но эффективное сечение при столкновении частиц существенным образом зависит от их относительных скоростей, заряда и массы. В каждом отдельном случае они могут быть различными, вследствие чего будут различия и в определении размеров частиц. Причина этого заключается в том, что каждая микрочастица неразрывно связана с различными полями, которые вносят свой вклад в структуру частиц. Грань между собственно частицей и ее полем весьма относительна и подвижна, она зависит от энергии взаимодействия частиц и от наличия у них зарядов. Если налетающая частица обладает большой энергией и лишена заряда, то она может глубоко проникнуть в область данной частицы и вызвать различные процессы; при наличии одинакового заряда и малой энергии рассеяние налетающей частицы произойдет на значительно больших расстояниях. Определяемые на основании рассеяния размеры частиц в обоих случаях будут различными. Других же способов измерения размеров в настоящее время не существует, ибо элементарную частицу нельзя заключить в микрометр или другой прибор, с тем чтобы непосредственно измерить ее размеры. Ввиду этого понятие абсолютно точных размеров по отношению к элементарным частицам является идеализированной абстракцией. Действительные размеры частиц зависят от их взаимодействий с другими микрообъектами.

Последнее станет еще более очевидным, если мы вспомним, что с каждой микрочастицей связана определенная длина волны, которая характеризует область пространственной локализации частицы. Длина волны зависит от массы и скорости движения: , и меняется с изменением последних. Так, если мы возьмем электрон с энергией в несколько сот электрон-вольт, то его длина волны будет примерно 10^-8 см, то есть сравнима с размерами атома. Электрону с такой длиной волны в атомном ядре уже не хватило бы места. Для того чтобы локализовать электрон в области атомного ядра, длина волны электрона должна быть порядка 10^-13 см. Но при такой длине волны электрон будет обладать настолько большой энергией, что произойдет его превращение с порождением других частиц. Вследствие этого локализация электрона в столь малой области оказывается физически невозможной.

Еще более относительно понятие точных размеров для квантов электромагнитного поля, которое обладает непрерывным распределением в пространстве. Для фотонов нельзя установить каких-либо неизменных определенных размеров. Длина волны фотона определяется частотой колебаний λ=c/v, а частота колебаний зависит от энергии фотона Е=hv.

Всякая локализация фотона в области, меньшей, чем длина волны, физически невозможна. Поэтому размеры фотонов целиком определяются их энергией, если только возможно применять понятие размеров к электромагнитным волнам. Все эти факты с новой стороны выявляют неисчерпаемость материи вглубь.

4. Квантовый характер свойств и взаимодействий микрообъектов

Существенной чертой микромира, которая имеет важное значение для понимания проблемы прерывности непрерывности материи, является дискретность свойств и взаимодействий, связанная с наличием кванта действия h. Та непрерывность энергии, которую мы наблюдаем в макроскопических процессах, в действительности представляет собой совокупность огромного количества дискретных энергетических процессов. Для макроскопических явлений значение постоянной Планка пренебрежимо мало, вследствие чего прерывность действия в макроявлениях совершенно незаметна, и они достаточно полно описываются законами классической механики. Но как только мы переходим к атомным масштабам, происходит скачок как бы в другой мир, характерной чертой которого является атомизм действия.

Ввиду квантованности действия основные свойства частиц, представляющие собой результат их связей и взаимодействий, также имеют квантованный характер. Дискретность присуща как атомно-молекулярным системам, так и элементарным частицам. Каждый атом может находиться лишь в определенных стационарных состояниях, которые образуют прерывный ряд. В этих состояниях атом имеет дискретные значения энергии, момента количества движения и проекции момента на направление магнитного поля. Электроны в атомах могут вращаться вокруг ядер не по всяким орбитам, а лишь по избранным, для которых момент количества движения равен целому кратному h/2π. В стационарных состояниях энергия атома остается постоянной. Если же происходит изменение энергии в результате какого-либо достаточно сильного воздействия, то атом переходит скачком из одного состояния в другое, минуя промежуточные состояния. В результате такого перехода происходит излучение квантов строго определенной частоты, зависящей от разности энергий состояний. При обратном поглощении энергии атомом энергия может передаваться не сколь угодно малыми порциями, а лишь определенными дискретными. Атом может поглощать только ту энергию (фотона или другой частицы), которая равна разности энергий двух его состояний, но не меньше.

Этот факт имеет принципиальное значение, поскольку он говорит, что нельзя переносить наши привычные макроскопические представления на сколь угодно малую область. Действительность оказывается неизмеримо сложнее и богаче всех умозрительных предположений.

Дискретными значениями обладают основные свойства частиц. Спин, магнитный момент, мезонный заряд характеризуются с количественной стороны выражениями, которые содержат в себе постоянную Планка. В отношении собственной массы и электрического заряда связь с постоянной Планка не установлена, но известно, что частицы не могут обладать меньшими электрическими зарядами, чем заряд электрона. Равным образом частицы данной разновидности обладают вполне определенной массой покоя. Электрон или другая частица в процессах взаимодействия может непрерывно менять свою энергию, отдавая ее сколь угодно малыми порциями, но лишь до тех пор, пока энергия частицы не уменьшится до величины E=mc². Ниже этого уровня отдача энергии и массы невозможна; возможно лишь превращение этой частицы в качественно иные микрообъекты.

Дискретность свойств и состояний микрочастиц приводит к важным выводам о характере взаимодействий между ними. В классической физике неявно принималось, что между любыми частицами во вселенной постоянно существует устойчивая связь, причем взаимодействия могут распространяться с бесконечно большой скоростью. Допускалось также, что энергия взаимодействий между частицами может быть сколь угодно малой, но взаимодействие будет поддерживаться непрерывно. Любой атом во вселенной связан с любым другим, и, как говорил еще Лейбниц, каждая монада, каждый атом является живым зеркалом вселенной.

В эти представления современная теория вносит существенные коррективы. Прежде всего не существует бесконечно больших скоростей распространения взаимодействий. Верхним известным пределом такой скорости является скорость света. Ввиду этого действие какого-либо тела не вызывает немедленно обратного ответного действия со стороны другого тела. Это «противодействие» приходит лишь через то время, которое необходимо свету для достижения другого тела и совершения обратного пути. Поэтому каждое тело отражает в себе не действительное состояние другого тела в данный момент, а уже некоторое прошлое состояние.

С другой стороны, в силу квантованности действия взаимосвязь между пространственно разделенными телами не может поддерживаться непрерывно при сколь угодно малой энергии взаимодействия. При достаточно большом расстоянии друг от друга связь между телами может не быть непрерывной во времени, а будет дискретной (прерывной). Поэтому нельзя утверждать, что каждый атом во вселенной постоянно связан с любым другим и отражает в себе весь мир. Докажем это положение.

По современным взглядам связь между частицами осуществляется путем обмена квантами электромагнитного, гравитационного и мезонного полей. Если, допустим, первая частица излучает кванты, то вторая поглощает их, и наоборот. Благодаря этому между частицами возникает определенная сила взаимодействия. Непрерывность действия этой силы является результатом сложения огромного количества дискретных актов взаимодействия, подобно тому как непрерывное действие на киноэкране обусловлено быстрым последовательным движением отдельных кадров киноленты. Подобная картина взаимодействия приводит к тем же самым количественным результатам, которые вытекают из законов Ньютона и Кулона, не говорящих ничего о природе гравитационных и электромагнитных взаимодействий.

Разберем в качестве примера электромагнитное взаимодействие. Предположим, что тело А излучает равномерно и по всем направлениям фотоны, часть которых поглощается телом Б. Допустим, что тело Б настолько велико и плотно, что поглощает все падающие на него фотоны. Количество поглощенных фотонов будет относиться к общему числу излученных фотонов так, как относится площадь данного тела к площади сферы с радиусом, равным расстоянию между взаимодействующими телами.

Теперь предположим, что расстояние между телами увеличивается в два или три раза. Тогда площадь сферы увеличивается соответственно в четыре или в девять раз и пропорционально уменьшается отношение площади тела к площади сферы. В таком случае данное тело будет поглощать в четыре или девять раз меньше фотонов и сила притяжения между телами будет уменьшаться прямо пропорционально квадрату расстояния между ними, в соответствии с законом Кулона. Аналогичным образом, рассматривая гравитационное взаимодействие как результат обмена квантами гравитационного ноля, можно получить закон Ньютона. Конечно, действительный процесс взаимодействия намного сложнее рассмотренной схемы, но она полезна для качественной оценки результатов. К ядерным взаимодействиям подобная схема, по-видимому, неприменима, поскольку в отношении нуклонов в ядре нельзя применять макроскопическое понятие угловых размеров. Несомненным в настоящее время можно считать лишь то, что взаимодействие между частицами происходит в результате обмена квантами различных полей, хотя механизм этого взаимодействия еще неясен.

Излучаемые кванты уносят определенную часть массы и энергии тела, причем энергия квантов не может быть сколь угодно малой. Поскольку масса тела конечна, то оно может излучить лишь конечное число квантов. Часть их поглощается другим телом, которое в свою очередь излучает кванты. Взаимодействие возникает в результате обмена квантами.

Это взаимодействие было бы непрерывным во времени, если бы каждое из тел поглощало и излучало в любой момент времени сколь угодно много квантов. Но это невозможно, поскольку масса и энергия тел ограниченны, а кванты не могут обладать бесконечно малой энергией. Поэтому взаимодействие между телами оказывается дискретным во времени, то есть прерывным. Эта прерывность проявляется в зависимости от вероятности обмена квантами, она тем больше, чем меньшим количеством квантов могут обмениваться тела. Последнее же зависит от массы тел и расстояний между ними. Если расстояние между телами достаточно велико, а их масса мала, то вероятность обмена квантами может быть сколь угодно малой. Тогда взаимодействие между телами возникает один раз на протяжении определенного отрезка времени, более или менее значительного. Тела, бесконечно удаленные друг от друга, будут в ничтожной степени связаны между собой. Более того, для бесконечной вселенной не существует единой связи, поскольку скорость распространения взаимодействий является конечной величиной. А это значит, что для всей вселенной не может быть единой последовательности событий, то есть единого времени, текущего всюду одинаково и безотносительно к характеру материальных процессов.

Из этого, однако, не следует, что принцип всеобщей связи нарушается. Ведь и в обществе каждый человек не связан с любым другим на Земле, но от этого не нарушается всеобщая связь, которая осуществляется между людьми косвенно, через государства и другие общественные институты. Так и в природе связь между удаленными телами и частицами осуществляется косвенно, через более общие материальные системы, в которые данные тела объединены. Каждое из тел непосредственно связано лишь с ближайшей совокупностью, но суммирование действий дает достаточно большую силу, способную обеспечить эффективное взаимодействие на больших расстояниях. Поскольку во вселенной каждая из систем входит в совокупность тел еще больших размеров, то косвенно возможна связь между любыми системами. Но эта связь осуществляется не постоянно во времени, а дискретно, причем «провалы» во взаимодействии могут быть тем значительнее, чем больше расстояние между телами и меньше их масса. Если, однако, принять во внимание, что вселенная существует бесконечно, то в масштабе бесконечности времени прямая или косвенная связь имеется между любыми сколь угодно удаленными друг от друга системами или телами. В рамках бесконечности времени мир оказывается связным единым целым во всех своих структурных формах.

Другое весьма интересное проявление дискретности взаимодействий можно наблюдать в микропроцессах, в эффектах взаимопревращений микрочастиц. Анализ этих явлений приводит к необходимости коренных изменений в представлениях о свойствах пространства и времени в микромире. Эти изменения связаны с новой трактовкой проблемы размеров элементарных частиц, приводящей к гипотезе квантования самого пространства и времени.

Как уже отмечалось выше, во всех известных взаимодействиях и превращениях элементарные частицы проявляются как единое целое. В процессе превращений частицы переходят в другие формы дискретно или полностью, а не по частям, причем вторичные частицы не содержатся в готовом виде в первичных, а возникают в результате качественных превращений материи. Можно даже полагать, что частей в обычном понимании этого слова у элементарных частиц вообще не существует и понятие системы к ним неприменимо. Действительно, составной системой можно считать такое материальное образование, в котором энергия связи между его составными элементами значительно меньше собственной энергии, соответствующей его массе покоя.

Системами такого рода будут все космические образования, окружающие нас тела, молекулы, атомы и даже атомные ядра. Эти системы распадаются на свои составные элементы, если энергия внешних воздействий превышает энергию связи между элементами.

Совершенно иначе обстоит дело в случае элементарных частиц. Они не расщепляются даже в том случае, если энергия внешнего воздействия во много раз превышает энергию, соответствующую их массе покоя. В этом случае происходит не расщепление частицы, а ее качественное превращение в другие микрообъекты, тоже элементарные. Так, собственная энергия электрона равна 0,5·10⁶ электрон-вольт, и если бы электрон был составной системой, то при воздействии на него гамма-кванта такой энергии он обязательно распался бы на свои составные элементы. Но даже в том случае, если энергия гамма-квантов достигает 10⁸ электрон-вольт, электрон не расщепляется, а превращается в другие микрочастицы. Расщепление частиц не происходит даже в том случае, если налетающая частица обладает энергией в 10¹⁸ электрон-вольт, как это иногда имеет место в космических лучах. Во всех случаях взаимопревращаемость элементарных частиц делает физически невозможным их расщепление. Отсюда следует, что элементарные частицы не могут являться материальными «системами» в обычном смысле этого слова.

Вполне возможно, что необычайная устойчивость структуры элементарных частиц связана с особым характером пространства и времени в микромире. По мере углубления в строении материи количественные изменения на определенном этапе приводят к коренным качественным изменениям в свойствах материи, причем новому качеству соответствуют уже другие количественные характеристики, в том числе и пространственно-временные. Материя как бы разделена на ряд структурных форм или этажей, в каждом из которых господствуют свои специфические законы. Если в области макромира тела могут обладать любыми геометрическими размерами, то в области элементарных частиц этого не наблюдается. Размеры атомных ядер и элементарных частиц близки к величине 10^-13—10^-14 см. Это относится и к тем микрообъектам, которые возникают в результате распада неустойчивых частиц. Область возможной пространственной локализации связана с длиной волны, которая обратно пропорциональна массе и скорости движения частицы. Поэтому не обязательно, чтобы продукты распада были меньше по своим размерам, чем исходные частицы, как это часто имеет место в макромире. При распаде микрочастиц вторичные частицы могут характеризоваться примерно той же или большей длиной волны, чем исходные частицы, потому обладают примерно той же пространственной локализацией.

Из этих, а также некоторых других данных следует вывод о том, что в области микропроцессов, по-видимому, существует некоторая элементарная длина порядка 10^-13—10^-14 см, подобно тому, как существует элементарный квант действия. Эта длина тесно связана с комбинацией основных констант — заряда и массы частиц, скорости света и постоянной Планка. Так, классический радиус электрона равен примерно 2,8·10¹³ см. Длина де-бройлевской волны для нуклона с энергией связи 7—8·10⁶ электрон-вольт см. Близким значением обладает и так называемая комптоновская длина волны для мезона и нуклона см. Определяемый из опыта радиус протона равен 4·10^-14см, а область удара быстрых нуклонов при их столкновениях имеет порядок 10^-13 см.

Эта длина характерна и для ряда электромагнитных процессов. Например, в опытах по рождению фотонами мезонов длина волны фотона равна примерно 10^-13—10^-14см. Дальнейшее уменьшение длин волн для электромагнитного поля становится маловероятным, так как происходит превращение квантов поля в частицы вещества. Таким образом, из ряда данных следует, что «размеры» элементарных частиц близки к области 10^-13—10^-14 см. Возможно, что это число изменится, но, по-видимому, не слишком значительно. Если пространственные размеры основных элементарных частиц действительно имеют такое дискретное значение, то из этого следует возможность существования «элементарного» пространственного интервала таких же размеров. Вместе с тем из этого следует возможность существования квантов времени, поскольку пространство и время неразрывно связаны между собой. Квант времени будет характеризовать то минимальное время, в течение которого в элементарной частице, как целом, могут произойти какие-либо физические изменения. Поскольку скорость распространения взаимодействий равна скорости света, то кванты времени будут характеризовать тот интервал времени, в течение которого свет может распространиться от одной области элементарной частицы до другой:

Указанные величины являются наименьшими пространственными размерами и промежутками времени, которые могут быть обнаружены или измерены в любых опытах, где в качестве объекта измерения или средства измерения используются элементарные частицы. Установленная сейчас минимальная величина для времени — 10^-15 сек.— период распада нейтрального π-мезона — на много порядков больше, чем квант времени τ₀. По-видимому, за пределами или в области ι₀ и τ₀ становятся неприменимыми современные теоретические методы описания микропроцессов.

Значение ι₀ и τ₀ характеризуют не только собственно элементарные частицы, но и все процессы взаимодействия между ними. Взаимодействия между элементарными частицами не могут происходить в меньших областях, чем элементарные длины и интервалы времени. Действительно, предположим, что одна частица сталкивается с другой (например, сталкиваются два протона). Наименьшим временем фактического столкновения будет то время, которое потребуется для сколь-нибудь существенного изменения состояния взаимодействующих частиц. Если бы элементарные частицы были абсолютно твердыми шариками, имеющими резко очерченные размеры, то время их столкновения было бы сколь угодно малым. Но абсолютно твердых тел в природе не может существовать, поскольку для таких тел сила воздействия на одну сторону тела должна была бы передаваться на другую сторону мгновенно, то есть с бесконечно большой скоростью. Это физически невозможно, так как скорость распространения взаимодействий всегда конечна. Тем более нельзя считать элементарные частицы абсолютно твердыми. Как было показано, элементарные частицы обладают волновыми свойствами и неразрывно связаны с различными полями. Столкновение двух частиц сопровождается взаимопроникновением их полей, причем в любом случае сколь-нибудь существенное изменение состояний обеих частиц возможно лишь в масштабах, не меньших, чем элементарные длины и интервалы времени.

Однако вывод о квантовых свойствах пространства и времени нельзя абсолютировать, как это иногда делается, и заранее отвергать возможность существования каких бы то ни было материальных явлений в областях, меньших чем 10^-14см и 10^-24сек. Такое отрицание по существу равносильно отрицанию структуры элементарных частиц и существования каких-либо иных форм материи, помимо уже известных нам. Между тем нет никаких оснований сомневаться в том, что определенные материальные процессы происходят и в гораздо меньших областях пространства и времени. Известно, что хотя действие в микромире квантовано, но тем не менее кинетическая энергия движения частиц может меняться непрерывно, увеличиваясь или уменьшаясь сколь угодно малыми порциями. По-видимому, и в отношении пространственно-временных свойств дискретность находит свое естественное дополнение в непрерывности. Минимальная длина 10^-14см характеризует область дискретного взаимодействия элементарных частиц, а период 10^-24сек. — время физических изменений в частицах, как целостных образований материи. Но не следует забывать о том, что, помимо элементарных частиц, существуют еще такие формы материи, как вакуумные состояния полей, которые непрерывно распределены в пространстве. Они обладают бесконечно большим числом степеней свободы, и взаимодействия в них передаются от точки к точке. А это значит, что материальные процессы здесь происходят в гораздо меньших интервалах пространства и времени. То же самое следует сказать о тех явлениях, которые связаны со структурой элементарных частиц.

Ввиду этого неправильно было бы говорить, что пространство и время в микромире состоят из некоторых ячеек и не обладают меньшими масштабами. Дискретность пространства и времени, связанная с материальными процессами, имеет своей необходимой противоположностью их непрерывность. Между тем в некоторых работах, развивающих идею квантования пространства — времени, эта идея абсолютируется, и делается вывод о том, что вообще нельзя говорить о пространственных и временных интервалах, меньших, чем данные кванты. Подобное заключение приводит к неразрешимым противоречиям. Поскольку идея квантования пространства — времени, по-видимому, будет иметь большое значение в будущих теориях и, несомненно, возникнут новые попытки ее абсолютизации, остановимся на этом подробнее. Будем рассуждать от противного. Предположим, что пространство действительно представляет собой совокупность неделимых микроскопических ячеек, а время — совокупность неделимых моментов. Между данными ячейками и моментами нет никаких промежутков, никакого пространства и времени. Тогда возникает ряд противоречий.

Как известно, время разделяется на три части: прошлое, настоящее и будущее. Прошлое — это то, что может оказать влияние на будущее, тогда как будущее уже не может оказать влияние на прошлое. Настоящее определить значительно труднее. В повседневной жизни под настоящим мы можем понимать час, день, год и даже столетие — в зависимости от размерности явлений и масштабов их изменения во времени. Но, строго говоря, настоящее — это мгновение; все, что было до него, относится уже к прошлому, все, что будет после, — к будущему. Настоящее — это предел последовательного стягивания прошлого и будущего к одной точке, которая непрерывно движется по линии времени, причем только в одном направлении — к будущему. Окрестность данной точки может иметь сколь угодно малые размеры.

Теперь представим себе, что существуют неделимые атомы времени, обладающие очень малой, но конечной величиной, скажем в 10^-24сек. или меньше, так что изменение времени происходит скачками по крайней мере в один атом времени. Тогда каждый такой конечный и неделимый момент настоящего времени будет включать в себя как прошлое, так и будущее, которые группируются в окрестности настоящего в пределах 10^-24сек. Но поскольку данный момент времени неделим, то в нем фактически не может быть прошлого и будущего; он представляет собой только настоящее, в нем нет непрерывного процесса изменения, и переход к следующему настоящему совершается скачком и мгновенно, так как по условию не существует никаких промежуточных состояний времени. Поскольку данные моменты настоящего вплотную примыкают друг к другу, то различие между ними оказывается равным и нулю, и 10^-24сек. Но ничто не может быть одновременно равным и нулю, и конечной величине. Следовательно, идея существования неделимых атомов времени оказывается внутренне противоречивой.

Противоречивость ее обнаруживается и с физической стороны, при рассмотрении процесса движения. Время представляет собой меру всеобщего изменения материи. В случае механического движения время есть частное от деления пройденного пути на скорость движения тела. Теперь допустим, что время квантовано и происходит перемещение тела в пространстве. Каждый неделимый момент, поскольку он является таковым, характеризует положение тела в данной точке, следующий момент — в другой и т. д. Расстояние между этими точками должно быть равно конечной величине, поскольку каждый следующий момент отличен от предыдущего на конечную величину, скажем, 10^-24сек., а за это время движущаяся точка успеет сместиться на конечное расстояние. Пусть это смещение будет равно 10^-15 см. Возникает вопрос: каким образом оно произошло? Коль скоро время существует в виде неделимых атомов, то движущееся тело в данный конечный момент времени должно находиться в этой точке, а в следующий момент — уже в другой. Непрерывность движения здесь понимается как результат сложения большого количества отдельных последовательных неподвижных положений, подобно движению на киноэкране. Однако если кажущаяся непрерывность движения на экране обусловлена способностью глаза сохранять в течение одной десятой секунды зрительное изображение, так что за это время успевает продвинуться следующий кадр, то в случае объективно происходящего движения такое толкование уже не может быть проведено. По самой идее квантования времени, между двумя неделимыми моментами никакого времени нет, оно здесь равно нулю. Вместе с тем признается, что тело в следующий момент находится в другой точке, чем в предыдущий момент, причем расстояние между точками равно конечной величине. Поскольку это расстояние оказывается пройденным за период времени между двумя неделимыми моментами, которое, по условию, равно нулю, то скорость тела оказывается бесконечной. От состояния покоя в данный момент тело должно было бы переходить к бесконечно большой скорости движения, а затем снова останавливаться и т. д. Для того чтобы это было возможно, необходимо предположить создание и уничтожение бесконечно больших сил, действующих на тело. Очевидно, такая картина совершенно противоестественна.

Чтобы выйти из этих противоречий, мы должны признать, что скорость движения конечна и что движение возможно в течение предполагаемых квантов времени, то есть происходит от точки к точке. Но в таком случае мы отказываемся от первоначальной идеи неделимости квантов времени и признаем непрерывность времени, возможность его изменения любыми, сколь угодно малыми интервалами. Непрерывность времени логически ведет и к непрерывности пространства.

Таким образом, дискретность пространства и времени имеет относительное значение, она может характеризовать лишь определенные материальные процессы. В случае элементарных частиц «наименьшая» длина ориентировочно выражает пространственные размеры частиц и границы локализуемости взаимодействий, а «наименьший» интервал времени — период физических изменений в элементарных частицах, как целостных образованиях материи. Конкретное значение этих длин и интервалов может быть несколько иным, чем было указано выше. В некоторых работах^[8] указывается на возможность других значений элементарных длин, связанных с так называемым гравитационным радиусом элементарных частиц, а также с электромагнитным радиксом электрона при учете поляризации вакуума. Эти величины равны 10^-52—10^-58см. Соответственно изменяются и значения квантов времени. Независимо от того, насколько все эти величины окажутся близкими к действительности, важно отметить, что дискретность пространства и времени может характеризовать лишь определенные материальные процессы, тогда как другие процессы для своего осуществления требуют непрерывности пространства — времени. Таким образом, сама сущность материи обусловливает единство противоположных сторон в основных формах ее бытия.

5. Конечность и бесконечность материи

Итак, весь исторический опыт развития научного познания доказывает единство конечного и бесконечного в образе любых материальных объектов. Попытаемся обобщить, в чем конкретно проявляется это единство. Оно находит свое проявление, во-первых, в законах пространственного существования материальных объектов. Каждое тело ограничено в пространстве и поэтому конечно. Но вместе с тем любое тело порождает различные поля, которые потенциально способны простираться в пространстве до бесконечности.

В силу этого мы можем познавать свойства и законы развития необычайно удаленных звезд и туманностей.

Во-вторых, это единство проявляется в характере существования материи во времени. Каждый конкретный предмет имеет свое начало во времени и поэтому неизбежно должен иметь конец. Возникнув при определенных условиях, он через некоторое время превращается в другие тела или же распадается на свои составные элементы. Но материальная субстанция, лежащая в основе данного тела, несотворима и неуничтожима, она имеет безграничное существование.

В-третьих, единство конечного и бесконечного проявляется в количестве свойств, присущих материи в целом, и в значении каждого из свойств. Каждый материальный объект обладает безграничным множеством свойств, и в этом заключается неисчерпаемость материи. Но в то же время свойства тела всегда имеют некоторое конечное значение, и в своей количественной определенности они не могут быть сколь угодно большими или малыми. Так, конечное значение имеют скорость движения, температура тела и другие характеристики. Для температуры нижний предел — это абсолютный нуль — 273,2°. Верхний предел не установлен, но он, по-видимому, имеется. Максимальная температура — это та, при которой макроскопическое тело может существовать как устойчивое целое, не распадаясь на свои составные элементы. В недрах звезд господствуют температуры в несколько десятков миллионов градусов, и это, по-видимому, близко к максимальному значению температуры, постоянно имеющейся в природе в больших масштабах. Правда, в ядерной физике используется иногда пересчет энергии ядра, при попадании в него быстрой частицы, в его температуру, которая получается порядка 10¹²—10¹⁴ градусов. Однако здесь понятие температуры применяется условно, так как температура есть характеристика состояния большой совокупности частиц, или молекул, и к отдельным микроскопическим взаимодействиям это понятие уже неприменимо.

Пределы существуют также и для значения массы тела. Во вселенной не существует звезд со сколь угодно большой массой, масса самых тяжелых звезд примерно лишь в сто раз превышает массу Солнца. Более массивные звезды не могут существовать, так как огромные силы давления в их недрах, по-видимому, приводят к столь интенсивным термоядерным реакциям, что звезда распадается на ряд тел меньшей массы.

Поскольку существует верхний предел для значения массы отдельного тела, то, возможно, существует и нижний предел, хотя в настоящее время отсутствуют какие-либо конкретные данные на этот счет. Под нижним пределом можно понимать то, что в природе могут существовать микрообъекты, масса которых является наименьшей из возможных. Что же касается тех форм материи, которые составляют данные микрообъекты, то к ним понятие массы в его обычном смысле может быть уже неприменимым, подобно тому как неприменимо к фотонам понятие механической массы. Эти формы материи могут обладать качественно иными свойствами.

Такая гипотеза не является чисто умозрительной спекуляцией. При изучении закономерности изменения плотности тел можно видеть, что плотность возрастает с уменьшением размеров устойчивых материальных систем. Если для звезд-гигантов средняя плотность вещества равна 10^-7 г/см³, для Земли — 5,5 г/см³, то для атомных ядер она уже равна 10¹⁴ г/см³. Естественно возникает вопрос, продолжается ли это возрастание плотности и дальше в глубь материи или же существует некоторый верхний предел для нее? Окончательный ответ на этот вопрос может дать лишь будущая теория тяготения, которая исследует структуру и роль гравитационного поля в области элементарных частиц. В настоящее время делаются лишь первые попытки построения такой теории. Но уже сейчас выдвигается предположение о том, что максимальная возможная плотность вещества близка к величине 10¹⁶ г/см³. При большей плотности излучение гравитонов может быть столь интенсивным, что приведет к распаду частиц. По-видимому, данное значение верхней плотности не является окончательным, и здесь могут быть дальнейшие уточнения. Но, независимо от этого, вряд ли можно сомневаться в том, что плотность вещества не может безгранично возрастать при углублении в структуру материи. Поскольку же плотность есть частное от деления массы на объем, то верхняя граница плотности будет равносильна верхней границе для массы в ее обычном понимании.

Из всех свойств материи только, пожалуй, протяженность в пространстве и длительность во времени могут характеризоваться атрибутом бесконечного как применительно к микромиру, так и в масштабе космоса, и это потому, что пространство и время являются всеобщими формами бытия материи. Признание предела пространства — времени в одном из направлений неизбежно влекло бы за собой признание предела и в другом направлении — в масштабе космоса или же в масштабе микромира. Но ни то, ни другое неверно, ибо противоречит основным свойствам бытия.

Наличие предельных значений конкретных свойств материи идеалисты истолковывают в духе агностицизма. Они рассматривают данный факт не как свойство объективной реальности, а как доказательство мнимого бессилия человеческого разума, его неспособности познать сущность явлений. Английский философ и математик Э. Уитгекер выдвинул даже так называемый «постулат бессилия», который он считает краеугольным камнем теории познания^[9]. Всякий закон природы Уиттекер считает ограничением возможностей человеческого ума и доказательством бессилия человека в его отношениях с природой. Конечно, всякий закон природы можно сформулировать в отрицательной форме ограничения способностей человека. Например, принцип неопределенности можно сформулировать как невозможность измерить одновременно и точно координаты и импульс электрона; второй закон термодинамики, говорящий о возрастании энтропии в замкнутой системе, можно выразить в том смысле, что невозможно построить вечный двигатель, работающий только за счет использования энергии тепла окружающей среды, без совершения дополнительной работы, связанной с охлаждением работающего механизма; закон сохранения энергии можно сформулировать в духе невозможности создания энергии из ничего и т. п.

Однако этим вовсе не исчерпывается существо закона. Всякий закон выражает прежде всего существенные и повторяющиеся связи между явлениями природы. В законах выражается упорядоченность различных процессов, и в этом смысле всякий закон представляет собой ограничение. Но он является ограничением лишь для фантазии нашего ума, так как говорит, что в природе осуществляются не все абстрактно мыслимые состояния, а лишь те, которые соответствуют ее внутренним закономерностям. Что же касается самой природы, то для нее закон не может быть ограничением, ибо в природе свобода совпадает с необходимостью, и если данный закон действует, то именно потому, что он вытекает из внутренней сущности материи в данных конкретных условиях, тогда как в других условиях будут действовать другие законы.

Открытие всякого нового закона выражает не бессилие человеческого разума, а, напротив, его неограниченную способность познания.

Далее, сложность и неисчерпаемость различных явлений природы говорят о том, что понятие материи как субстанции нельзя связывать с одной какой-либо ее конкретной формой или свойством, но что понятие материи охватывает совокупность всех существующих в природе предметов и явлений, независимо от того, известны они в настоящее время или нет.

В классической физике материя отождествлялась с одним из своих свойств — массой. Считалось, что масса является мерой количества материи. Однако оно приводит к ряду противоречий и является отголоском старого, метафизического понимания материи. Поскольку взгляд на массу, как на меру количества материи, имеет распространение, необходимо подробнее остановиться на нем.

Когда массу определяют как меру количества материи, то исходят из некоторых обыденных явлений. Например, берут два килограмма какого-либо вещества и сравнивают их с одним килограммом такого же вещества, после чего утверждают, что в двух килограммах материи в два раза больше, чем в одном килограмме. Отсюда делается вывод, что масса является мерой количества материи. Такое понимание массы в данном случае верно, поскольку масса выражает отношение между количествами материи в однородных по своему составу телах.

Значительно труднее обстоит дело, если сравниваются неоднородные по своему составу тела, например, два килограмма железа и один килограмм воздуха. Здесь еще нужно строго доказать, что в двух килограммах железа, занимающих объем в четверть кубического дециметра, в два раза больше материи» чем в одном килограмме воздуха, занимающем объем, в несколько тысяч раз больший. Классическая механика доказывала это тем, что она предполагала все тела состоящими из однородных атомов, и отношение масс тел для нее было равнозначно отношению количеств непроницаемых однородных атомов в различных телах, ибо считалось, что если из данного объема пространства удалить все атомы, то там вообще не останется никакой материи.

Такое понимание массы и материи было общепризнанным до середины XIX в. Правда, оно содержало в себе скрытое противоречие. Определение массы как меры количества материи, устанавливаемой пропорционально плотности и объему материи, включало в себя понятие плотности. Но плотность есть не что иное, как масса, отнесенная к единице объема, и поэтому даваемое определение массы оказывалось в порочном кругу: масса определялась через плотность, а плотность — через массу. Однако на это противоречие слишком мало физиков обращало внимание.

Трудности возникли после открытия сложности атома и материальности электромагнитного поля. Было установлено, что материю нельзя сводить к бесструктурным атомам, что атомы состоят из элементарных частиц и полей, и поэтому даже после удаления всех атомов из данного объема пространства оно не будет абсолютно пустым. Что может быть в этих условиях мерой количества материи? В силу традиции такой мерой продолжали считать массу. Но о какой массе идет речь? Известно, что квантам электромагнитного поля масса покоя не присуща, и уже поэтому к ним неприменимо старое определение количества материи, тем более, что понятия плотности и объема в случае квантов поля далеко не так очевидны, как в случае вещественных тел. Наконец, согласно закону пропорциональности массы и энергии Е=тс², с тем же самым основанием можно считать и энергию мерой количества материи: нужно только пересчитывать на коэффициент пропорциональности. Это было бы даже более логично, поскольку энергия как мера движения присуща всем видам материи, тогда как понятие механической массы к квантам электромагнитного и гравитационного полей неприменимо. Но самая большая трудность в данном определении массы возникает тогда, когда мы зададимся вопросом: что значит «количество материи»? Материя — это неисчерпаемая субстанция, которая имеет бесконечно разнообразные проявления. В.И. Ленин определял материю как объективную реальность, данную нам в ощущениях. Поэтому вопрос о количестве материи по существу равносилен вопросу: сколько объективной реальности содержится в теле? Полное количество материи в данном пространстве можно было бы определить в том случае, если бы из данного пространства удалось удалить всю материю. Но эта операция принципиально неосуществима, поскольку в данном случае исчезло бы и само пространство, которое является формой бытия материи и без материи не имеет самостоятельного существования.

Полное количество материи в определенном объеме пространства нельзя измерить еще и потому, что в мире не существует ничего, кроме движущейся материи, а для измерения всегда требуется нечто отличное от того, что измеряется. Это положение является принципиальным для рассматриваемого нами вопроса, и оно со всей очевидностью показывает, что понятие «количество материи» в смысле количественной характеристики является неопределенным. Можно говорить о количестве атомов и элементарных частиц в теле, но нельзя говорить об общем количестве всей материи. Тем более неправильно было бы рассуждать о количестве материи в данном объеме, как о чем-то неизменном. Материя непрерывно изменяется, между любым телом и внешней средой постоянно происходит обмен квантами различных полей, окружающее нас пространство пронизывается мощными потоками нейтрино, которые излучаются Солнцем и звездами, каждая микрочастица взаимодействует с бездонным океаном вакуумных полей. В свете этого легко понять, что определение массы как меры количества материи с принципиальной стороны безнадежно устарело и является пережитком метафизических взглядов на материю. Массу необходимо определять в соответствии с тем, как она конкретно проявляется, согласно данным современной физики. С этой точки зрения масса, как уже было сказано, представляет собой меру инерции и гравитационных связей, а также в известном смысле меру внутренней собственной энергии, заключенной в теле. Но последнее определение не является строгим, так как, согласно закону пропорциональности массы и энергии, энергию с примерно таким же основанием можно считать мерой значения массы тела.

Следует подчеркнуть, что ни одно конкретное свойство материи не может выражать сколь-нибудь полно общее количество материи как субстанции, оно может характеризовать количественные и качественные стороны лишь отдельных конкретных видов материи. Познание полного количества материи равносильно тому, что материя будет исчерпана до конца, что уже само по себе неосуществимо.

В связи с этим возникает вопрос: имеет ли смысл самое понятие количества материи? На этот вопрос следует ответить положительно. Материя как субстанция имеет количественную и качественную определенности, хотя они бесконечны. Поэтому о количестве материи можно говорить с таким же основанием и правом, как о бесконечности материи. Каждое конкретное свойство выражает с одной какой-либо стороны количественную и качественную определенность материи. Полное количество материи в определенном объеме пространства будет выражаться совокупностью всех свойств, всех существующих в данном пространстве видов материи. В числе этих свойств находится, несомненно, и масса, которая характеризует количественные отношения между однородными по своему физическому составу телами. Поскольку познание всех свойств является бесконечным процессом, так же безгранично и познание полного количества материи. Мы возвращаемся на высшем этапе к древнему взгляду, выраженному еще Анаксимандром, что материя в своей сущности есть нечто беспредельное («апейрон») и конечность ее относительна.

Познание границ конечного означает выход за его пределы и переход к бесконечному, но этот переход не уничтожает объективного характера конечного. Несмотря на то, что была установлена сложность молекул и атомов, это не устранило их качественной неделимости. В понятии молекулы и атома есть определенное объективное содержание, так как они характеризуют качественные ступени, узлы бесконечно развивающейся материи. Поэтому, несмотря на сложность материи и относительность наших представлений о ней, каждая достигнутая ступень знания характеризует безграничные возможности человеческого разума и непреходящую ценность его достижений.

Глава 8. Философское обоснование проблемы бесконечности пространства и времени

1. Решение вопроса в домарксистской философии

Неисчерпаемость структурной организации мира в микрокосмосе имеет своим необходимым дополнением бесконечность его в пространстве и времени. Представление о бесконечности вселенной возникло в философии задолго до того, как естествознание смогло представить конкретные данные в пользу этой идеи. Философия здесь всегда шла впереди естествознания, и нужно сказать, что даже теперь, когда исследование вселенной неизмеримо подвинулось вперед, проблема бесконечности мира остается прежде всего философской проблемой. Бесконечность не выступает и не может выступать в опыте непосредственно. Поэтому она не может быть конкретным объектом опытного исследования; она является объектом теоретического анализа естествознания и философии.

Впервые догадка о бесконечности мира была высказана в античной материалистической философии в связи с критикой религиозно-мифологических представлений о природе. Уже Анаксимандр говорил, что беспредельное — «апейрон» — образует бесчисленные миры, каждый из которых погибает «по истечении весьма значительного времени после своего возникновения, причем с бесконечных времен происходит круговращение их всех»^[10].

Идея бесконечности мира настолько прочно вошла в сознание философов-материалистов, что в той или иной форме она развивалась почти в каждом философском учении. Интересно, что эту идею разделяли как сторонники теории бесконечной делимости материи, так и представители атомизма, которые хотя и отвергали бесконечность структурной организации материи вглубь, но признавали таковую в масштабе космоса.

Глубокое учение о беспредельности природы развили Демокрит и его последователи Эпикур и Лукреций. По Демокриту, в бесконечном пространстве существуют бесчисленные атомы, которые составляют все тела. В мире существует бесчисленное множество солнц, подобных нашему, и видимый нами Млечный Путь есть не что иное, как совокупность огромного количества звезд, находящихся на необычайно больших расстояниях от нас.

В яркой поэтической форме излагается идея бесконечности мира в бессмертной поэме Лукреция:

Нет никакого конца ни с одной стороны у вселенной...
Нет и краев у нее, и нет ни конца ни предела.
И безразлично, в какой ты находишься части вселенной:
Где бы ты ни был, везде, с того места, что ты занимаешь,
Всё бесконечной она остается во всех направленьях^[11].

На чем основывалось у античных материалистов убеждение в бесконечности мира? Прежде всего — на требовании логической непротиворечивости рассуждений, поскольку опытные данные были в то время крайне скудны. Бесконечность вселенной доказывалась от противного: если допустить, что где-то имеется предел мира, то этот предел мы должны представить себе как нечто имеющее протяжение; но протяжение уже предполагает возможность выхода за этот предел, то есть допускает наличие пространства за ним, ибо предел, не имеющий никакой протяженности, просто не мог бы существовать; следовательно, как в случае наличия предела, так и без него, мы должны признать возможность безграничного протяжения пространства. Пифагореец Архит следующим образом доказывал эту мысль: «Пусть я нахожусь на самом краю мира, на небесной тверди. Могу ли я протянуть руку или жезл во внешнее пространство или нет? Нелепо предположить, что я не могу протянуть руки. Если же я протяну, то внешнее окажется или телом или пространством... В каждом таком случае мы можем перейти на эту новую полученную границу и задать тот же вопрос. Поскольку жезл будет каждый раз наталкиваться на нечто новое, ясно, что так будет и бесконечно»^[12]. Лукреций приводит пример с человеком, который, достигнув края мира, бросает в пространство копье и каждый раз имеет возможность бросить копье еще дальше.

Бесконечность пространства античные материалисты тесно связывали с вечностью существования материи во времени. Уже Гераклит учил, что «мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим». Огонь у Гераклита выступает не как реальная вещественная среда, составляющая воду, землю и т. п., а скорее как символ вечно изменяющейся материи, которая, подобно пламени костра, в каждый новый момент времени является той же самой и вместе с тем иной.

Время, по мнению античных материалистов, существовало всегда, оно не является возникшим. Это убеждение основывалось на принципе несотворимости и неуничтожимости материи как субстанции — принципе, являвшемся исходным пунктом всякого последовательного материализма. Глубокое обоснование и развитие этого принципа как философского положения было дано античными материалистами, в особенности Лукрецием. Убежденный в том, что в природе из ничего ничего не родится, а также не может бесследно исчезнуть, Лукреций доказывал бесконечность существования вселенной во времени:

«Если ж в теченье всего миновавшего ранее века
Были тела, из каких состоит этот мир, обновляясь,
То, несомненно, они обладают бессмертной природой;
И потому ничему невозможно в ничто обратиться»^[13].
«Ибо и нет ничего, куда из вселенной могла бы
Скрыться материи часть, и откуда внезапно вломиться
Новая сила могла б во вселенную, сделать иною
Всю природу вещей и расстроить порядок движений»^[14].
«То, что доселе всегда рождалось, то будет рождаться
В тех же условьях и жить, и расти постоянно, и крепить.
Столько, сколько кому суждено по законам природы»^[15]

Замечательно при этом то, что Лукреций по существу совершенно правильно подходит к пониманию времени и уже две тысячи лет назад высказывает в общем виде положение, которое лишь в последние десятилетия было развито на основе диалектического материализма и теории относительности. Он отвергает возможность течения времени независимо от материи и считает абсурдной точку зрения о том, что якобы до сотворения мира уже протекла вечность:

Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось,
Что происходит теперь и что воспоследует позже
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя^[16].

Поэма Лукреция явилась вершиной античного материализма — как по глубине заложенных в ней идей, так и по художественным достоинствам их изложения. После Лукреция в течение 17 столетий проблема бесконечности вселенной по существу не была продвинута вперед ни на шаг. Наоборот, идеи, высказанные античными философами, были забыты. В период средневековья господствующей теорией в понимании вселенной была теория Аристотеля, канонизированная богословием. Эта теория в отличие от других исследований Аристотеля почти не содержала ценных и оригинальных идей: космос Аристотель считал конечным, имеющим форму шара, как наиболее «совершенной» фигуры; в центре космоса — шарообразная Земля, вокруг которой на различных концентрических сферах вращаются планеты и звезды; этих сфер движения Аристотель насчитал 55, помимо особых «идеальных» сфер; между земным и неземным имеется коренное различие в составе; все небесные тела состоят из особого эфира, который принципиально отличается от обычного вещества; небесные тела приводятся в движение на своих сферах «первым двигателем»; поскольку «первый двигатель» вечен, то вечно также движение и время. Подобные представления послужили основой для создания геоцентрической системы мира, ставшей краеугольным камнем религиозного миросозерцания.

Средневековая теология вытравила последние остатки античных материалистических воззрений на природу. Если Аристотель, считая пространство конечным, допускал все же вечность времени, то религия отвергла и это допущение. Мир в целом считался сотворенным более семи тысяч лет тому назад. Текущий 1958 год является по библейскому летосчислению 7466 г. от «сотворения мира». Совершенно неизбежен и конец мира, в связи с чем различные самозванные «пророки» многократно предсказывали дату «светопреставления» и «страшного суда», причем все эти даты сейчас уже находятся в далеком прошлом.

Теология отвергает существование времени до сотворения мира и после его последующего конца. Вечность, в которой пребывал бог до сотворения мира, была безвременна, и первый момент времени был создан вместе с сотворением мира. При создании мира бог отверг вечность на момент творения и наполнил отдельный отрезок этой вечности конкретным временным содержанием, выражающим бытие мира. Сам же бог был и является существом вневременным; категория времени к нему неприменима. Время характеризует возникновение, изменение и гибель всех конкретных форм, бог же, как существо беспредельное, не мог возникнуть, он обладает бесконечным совершенством и поэтому неизменен во всех своих атрибутах и, следовательно, не может перейти в состояние небытия. Таким образом, бог не существует во времени, само время является продуктом деяний бога. На вопрос о том, что делал бог до сотворения мира, Лютер отвечал: «Он сидел в березовой роще и резал розги для людей, которые будут задавать ненужные вопросы». Тем самым Лютер подчеркивал, что догматы религии не есть предмет логического доказательства; они — предмет веры и принимаются как нечто данное свыше. Последовательного сторонника религии не могут разубедить никакие научные доказательства. В ответ на возражение, что мир создан не 7500 лет назад, что наука бесспорно доказала существование Земли и Солнца в течение миллиардов лет, он скажет: бог так сотворил мир и устроил все таким образом, что нам кажется, будто возраст Земли, определяемый на основе скорости распада радиоактивных элементов, — 5 миллиардов лет, возраст Солнца еще больше и т.д.

Однако то, что основывается исключительно на вере, покоится на весьма шатком основании и является весьма уязвимым для нападок последовательно логического и научного мышления. Это уже давно сознавали наиболее умные сторонники религии, и поэтому они пытались придать хоть какую-либо видимость логического обоснования религиозным догматам. Но по самой логике вещей такие попытки приводили иногда к прямо противоположным результатам, противоречившим установившимся канонам. Естественно, что это вызывало недоверие к религиозному миропониманию, в связи с чем постоянно возникали различные «еретические» течения, которые жестоко подавлялись.

Впервые догмат о конечности мира в пространстве и времени был подвергнут сомнению в рамках религиозно-схоластической философии Николаем Кузанским (1401—1464). Кузанский не отвергал бытие бога, но он растворял бога во всей природе. «Бог во всех вещах, как все они в нем», — говорил он. В пантеистической концепции Кузанского бог выступает как некоторая всеобъемлющая сущность. Он сообщает свою беспредельность всей природе, которая становится поэтому пространственно безграничной. Космос, а вместе с ним и сущность самого бога Кузанский уподобляет бесконечному шару. Чем больше радиус шара, тем меньше искривление его поверхности; если радиус шара бесконечен, то его поверхность вообще не искривлена и линия на поверхности является совершенно прямой. По этой линии было бы невозможно определить, где находится центр мира. Отсюда Кузанский заключает, что вселенная имеет «свой центр повсюду, а свою окружность — нигде». Тем самым он опровергает догмат о конечности мира при помощи догмата о беспредельности бога, то есть заставляет самое теологию говорить языком материализма.

Подлинное освобождение естествознания от пут теологии началось с тех пор, как Николай Коперник издал в 1543 г. свою знаменитую книгу «Об обращении небесных сфер», в которой он обосновал гелиоцентрическую систему мира, опровергнув систему Птолемея. Коперник полагал, что центром мира является Солнце, вокруг которого обращаются все планеты, в то время как звезды находятся от Солнца на необычайно больших расстояниях и, по-видимому, неподвижны.

Первым пламенным приверженцем учения Коперника был Джордано Бруно (1548—1600). Он отбросил непоследовательное допущение Коперника о Солнце как центре мира и вслед за Николаем Кузанским развил пантеистическое учение о бесконечности вселенной, центр которой находится всюду и в то же время нигде. В неизмеримом бесконечном пространстве, учил Бруно, носятся бесчисленные солнца — звезды, окруженные планетами, подобно тем, которые обращаются вокруг нашего Солнца.

Несмотря на ожесточенное сопротивление церкви, которая предала сожжению на костре Джордано Бруно и жестоко преследовала лучших людей науки, учение о бесконечности вселенной вскоре получает первые естественнонаучные подтверждения. С XVII в. начинается эпоха бурного проникновения естествознания в глубины вселенной. Создание Галилеем первого телескопа и дальнейшее усовершенствование астрономических инструментов неизмеримо расширили границы видимого небесного мира. Благодаря трудам Галилея, Кеплера и Ньютона были заложены основы классической небесной механики, которая явилась научным фундаментом для всего последующего развития учения о вселенной. Физика Ньютона давала синтетическую и всеобъемлющую картину мира, во всяком случае для всех тех явлений, которые были в то время доступны эксперименту или наблюдениям. Вплоть до середины XIX в. не было известно почти ни одного факта, который нельзя было бы объяснить на основе ньютоновой физики.

Ньютон распространил открытые им законы за пределы солнечной системы, применив их ко всей вселенной в целом. Это было определенным шагом вперед в космологии — учении о строении и законах изменения вселенной. Космология впервые стала основываться не только на чисто философских доказательствах и догадках, но также на солидном фундаменте естественнонаучных принципов. В своей космологии Ньютон исходит из признания бесконечности вселенной, в которой содержится бесконечное количество материи. Между различными телами действуют силы тяготения, связывающие тела в системы различных порядков сложности. Силы тяготения уравновешиваются в устойчивых системах центробежными силами, благодаря чему тела не слипаются в одну сплошную массу, а более или менее равномерно распределяются в пространстве. Несмотря на бесконечность вселенной, средняя плотность материи в пространстве всюду отлична от нуля, то есть конечна, хотя она может быть сколь угодно малой величиной. Распределение материи в пространстве в основном статично, то есть в среднем не подвергается сколько-нибудь существенным изменениям во времени.

Космология Ньютона обладала достоинством всеобщности и относительной наглядности. Но вместе с тем она не была свободна от существенных недостатков, выявившихся впоследствии.

Прежде всего следует отметить метафизичность представлений о пространстве как пустом и неизменном вместилище материи, независимом от нее. Признание пустого пространства логически приводило к мистической теории дальнодействия, которая была чужда материалистическому духу естествознания. В этом отношении взгляды Ньютона представляли собой шаг назад по сравнению с теорией Декарта, который отрицал абсолютную пустоту, рассматривал пространство как протяженность материи и выводил бесконечность пространства из бесконечной протяженности материальной субстанции.

Далее, противоречивыми и метафизичными были взгляды Ньютона на сущность времени. Ньютон писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год»^[17].

Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка расположения. Ньютон полагал, что во вселенной всюду течет одинаковое и однородное время. Фактически это было признанием существования бесконечной скорости распространения сигналов, так что всякое действие немедленно должно было вызывать соответствующее противодействие, как бы далеко друг от друга ни находились взаимодействующие тела.

Ньютоновское понимание времени отражало некоторые черты объективного времени, вследствие чего оно было вполне пригодным для классической физики и было господствующим в физике вплоть до конца XIX в. Однако в этом определении есть некоторые логические противоречия и произвольные допущения. Во-первых, ничем не было обосновано допущение о бесконечности скорости распространения взаимодействии и одинаковости времени во всей вселенной. Из опыта это утверждение не вытекало, да и принципиально не может вытекать, следовательно, оно было априорным. Во-вторых, положение о том, что время всюду течет одинаково, по самому своему смыслу сразу же вызывает вопрос о том, в чем оно течет. Если ни в чем, то понятие «течет» становится бессмысленным, ибо течение относительно ничего невозможно; если же оно течет в чем-то, то это значит, что существует некоторое другое время, в котором течет ньютоновское «истинное математическое время», а тем самым данное определение времени оказывается неверным.

Подобные логические противоречия имели место потому, что время было оторвано Ньютоном от материи, от характера реальных изменений в телах. Между тем вне реальных изменений материи время не существует: оно является формой бытия материи. Не в каком-то извечно текущем времени возникают и исчезают все явления, а само время есть длительность процесса становления, возникновения и перехода в другие формы. Гегель был совершенно прав, когда говорил: «Время не есть как бы ящик, в котором все помещено как в потоке, увлекающем с собою в своем течении и поглощающем все, попадающее в него. Время есть лишь абстракция поглощения. Так как вещи конечны, то они находятся во времени, но вещи исчезают не потому, что они находятся во времени, а сами вещи представляют собою временное, их объективным определением является то, что они таковы. Процесс самих действительных вещей составляет, следовательно, время...»^[18]

Таким образом, понятие времени характеризует некоторый порядок сосуществования и последовательности событий. Этот порядок может быть различным для различных материальных систем, а следовательно, и ритм времени в каждом случае будет специфичным.

Далее, признание Ньютоном абсолютности времени противоречило его теологическим взглядам на причину изменения мира. Ньютон не признавал бесконечности движения материи, для объяснения причины движения планет по их орбитам он выдвинул идею «первого толчка» как причины движения всех тел. Здесь в слабо замаскированной форме проводится идея творения мира. Но коль скоро мы признали наличие первого толчка, то, следовательно, мы уже не можем говорить о бесконечности изменения мира во времени. Время изменения мира оказывается конечным, в противоположность бесконечности пространства, признаваемой Ньютоном. Но если мы признаем конечность времени и его сотворение в момент «первого толчка», то мы уже не можем считать время абсолютным и текущим безотносительно к чему-либо внешнему, так как атрибутом абсолютности может обладать только бог, но не какие-либо конкретные формы существующего.

Если же допустить, что время текло и до первого толчка, при абсолютной неподвижности материи, то тогда никак нельзя определить, что время действительно течет, поскольку ничего не изменяется. Что же в таком случае может выражать время, к чему оно может относиться? Единственно, что можно было сказать на данный вопрос, это предположить, что время характеризовало состояние бога. Но это противоречило догматам религии, которая исходит из того, что бог является вневременным существом и понятие времени к нему неприменимо. Ньютон, как человек, разбиравшийся во всех религиозных тонкостях и писавший богословские трактаты, не мог не знать этого. Следовательно, данное им определение времени было несовместимо ни с требованиями логической непротиворечивости, ни с требованиями теологии. В этом отношении более обоснованным было понимание времени Лейбницем — современником Ньютона. Лейбниц рассматривал время как «порядок следования явлений» и считал, что вечность не проявляется в длительности, но реализуется в длящихся вещах.

При всех своих недостатках ньютоновская космология все же представляла собой крупное научное достижение, поскольку она опиралась на количественную формулировку ряда важнейших законов природы. На ее основе возникли другие космологические теории, которые существенно продвинули вперед понимание ряда проблем.

Важные космологические вопросы были развиты И. Кантом в труде «Всеобщая естественная история и теория неба», опубликованном в 1755 г. Кант здесь впервые дал подробное обоснование исторического взгляда на природу, выдвинув так называемую небулярную гипотезу происхождения солнечной системы. Кант доказывал, что природа не является неизменной во времени, но представляет собой продукт исторического развития. Солнечная система образовалась из космического облака — «хаоса». Под действием сил притяжения и отталкивания эго облако превратилось в ходе естественного развития в Солнце и планеты, вращающиеся вокруг него. Независимо сходную гипотезу высказал в 1796 г. Лаплас. Как отмечал Энгельс, гипотеза Канта — Лапласа впервые пробила брешь в окаменелом метафизическом воззрении естествоиспытателей на природу.

Для Канта состояние первоначальной туманности не было исходным пунктом существования материи. Он сознавал, что это состояние в свою очередь возникло из каких-то предшествующих форм и время бытия мира, по-видимому, не ограничено. Но конкретно об этом предшествующем состоянии материи он ничего не говорил, считая, что и так слишком много неясностей в объяснении происхождения солнечной системы, не говоря уже о предшествующем состоянии.

Значительно в большей степени была разработана им идея бесконечности материи в пространстве. В этот период развитие астрономических наблюдений дало убедительные доказательства того, что наш Млечный Путь представляет собой гигантскую звездную систему, состоящую из многих сотен миллионов звезд. Естественно возникал вопрос, является ли наша звездная система единственной во вселенной или же за ее пределами существуют другие подобные системы? Кант, наблюдая туманность Андромеды, высказал глубокую идею о том, что эта туманность представляет собой подобие нашей звездной системы и удалена от нас на расстояние, во много раз превышающее расстояние до видимых звезд. На основе этого Кант утверждал, что, помимо нашей вселенной — Млечного Пути, — существует еще «большая вселенная», представляющая собой совокупность бесчисленного множества звездных миров, разбросанных, как острова, в бесконечном пространстве. Эти системы входят в системы еще большего порядка, те — в еще более грандиозные системы и т. д. Вселенная есть иерархическая последовательность все возрастающих систем — вот важнейший вывод, к которому пришел Кант, а независимо от него — Райт (1750) и Ламберт (1761).

В работе «Критика практического разума» Кант рисует следующую картину бесконечности вселенной:

«Когда субъект мысленно поднимается выше того места, которое он занимает в чувственном мире, и расширяет связь до бесконечно больших размеров, — связь звезд и звезд, и еще звезд, миров и миров, и еще миров, систем и систем, и еще систем, да сверх того расширяет эту связь во времени, рассматривая безграничные времена их периодического движения, его начало и дальнейшее продолжение, то представление не выдерживает этого поступательного движения в неизмеримую даль, где за самым отдаленным миром все еще есть более отдаленный, где прошлое, как бы далеко назад мы ни проследили его, все еще имеет более отдаленное прошлое, а будущее, как бы далеко мы его ни проследили вперед, все еще имеет впереди себя другое будущее, мысль не выдерживает этого представления о неизмеримом, подобно тому, как кончается падением или головокружением сон, в котором снится человеку, что он совершает длинный путь, идет все дальше и дальше, необозримо дальше, и не видать конца»^[19].

Кант считал, что бесконечность недоступна нашему рассудку и находится за пределами конкретных представлений. При этом бесконечность он понимал как постоянное и неограниченное повторение «звезд и звезд, систем и систем», то есть в духе дурной бесконечности, которую «не выдерживает мысль». Гегель замечал в связи с этим: «Заставляет же мысль изнемочь, вызывает ее падение и головокружение не что иное, как скука от повторения, при котором граница исчезает и снова появляется и снова исчезает, и так всегда одно ради другого и одно в другом...»^[20].

Гегель подверг острой критике метафизическое понимание бесконечности пространства как неограниченного повторения одних и тех же явлений, и в этом заключается его большая заслуга. Главное состоит в том, чтобы отличить истинное понятие бесконечности от дурной бесконечности. Высмеивая метафизическое понимание бесконечности, которое имело место среди некоторых астрономов, Гегель писал:

«Среди астрономов были такие, которые очень охотно похвалялись возвышенностью их науки, усматривая эту возвышенность в том, что астрономия имеет дело с таким неизмеримым множеством звезд, с такими неизмеримыми пространствами и временами, в которых расстояния и периоды, уже и сами по себе столь огромные, служат единицами и которые, сколь бы многократно их ни брали, все же снова оказываются малыми до незначительности. Пустое удивление, которому они при этом предаются, плоские надежды, что в загробной жизни они будут перекочевывать с одной звезды на другую и, странствуя так по неизмеримому пространству, будут приобретать все новые и новые сведения того же сорта,— эти свои пустое удивление и плоские надежды они выдавали за основную черту превосходства их науки. А между тем она достойна изумления не вследствие такой количественной бесконечности, а, напротив, вследствие тех отношений меры и законов, которые разум познает в этих предметах и которые суть разумное бесконечное в противоположность указанной неразумной бесконечности»^[21].

Под отношениями мер и законов Гегель понимал некоторую «узловую» линию, где количественные изменения переходят в качественные. Тем самым он в общем виде высказывал догадку о том, что разумная бесконечность предполагает не только количественное, но и качественное многообразие мира.

2. Диалектический материализм о бесконечности пространства и времени

Наиболее глубокое решение проблемы бесконечности пространства и времени было дано в философии диалектического материализма. В трудах Энгельса было обобщено все ценное в разработке этой проблемы, что было достигнуто предшествующей философией, в особенности Кантом и Гегелем. Однако Энгельс не остановился на повторении уже известных положений, а существенно продвинул вперед понимание этой проблемы. Вместе с тем Энгельс подверг острой критике идеалистические взгляды, высказывавшиеся Кантом, Гегелем, а также другими философами в вопросе о бесконечности мира.

Взгляды Гегеля на сущность пространства и времени были весьма противоречивыми. С одной стороны, Гегель считал, что пространство и время — это не внешний фон явлений, а коренные условия бытия, и критиковал идею дурной бесконечности. Но, с другой стороны, он делал идеалистическое допущение о возможности бытия вне времени, указывая на некоторое начало времени, связанного с материей. Исходным пунктом гегелевской философской системы является понятие абсолютной идеи (абсолютной лишь постольку, замечает Энгельс, поскольку Гегель абсолютно ничего не мог сказать о ней конкретно). Эта абсолютная идея или дух вначале существует в совершенно тождественном и неизменном состоянии. Затем в результате возникновения в ней внутренних противоречий она начинает развиваться и порождает природу. Идея «отчуждает» себя, переходя в свое инобытие, в состояние природы. Дальше она развивается уже в облике природы и в человеческом обществе, пока в состоянии духа, то есть в мышлении и истории, снова не возвращается к себе. Мы не будем останавливаться на деталях гегелевской системы. Отметим лишь, что, согласно Гегелю, время начинается только со второй стадии существования абсолютного духа, когда дух порождает природу. До этого время не существует.

«Идея, дух,— пишет Гегель,— стоит выше времени, потому что таковой составляет понятие самого времени. Дух вечен, существует в себе и для себя, не увлекается потоком времени, потому что он не теряет себя в одной стороне процесса»^[22].

«... Лишь предметы природы подчинены времени, поскольку они конечны; напротив, истинное — идея, дух — вечно»^[23].

Нетрудно видеть в этой концепции слабо завуалированный догмат религии. «Отчуждение» идеи и переход ее в природу есть не что иное, как сотворение мира. Что же касается утверждения о неприменимости времени к духу, то оно полностью совпадает с догматом религии о боге, как о существе вневременном, создавшем время вместе с природой. Таким образом, Гегель, формально признавая бесконечность пространства, протаскивал тезис о конечности времени и творении мира.

Противоречивыми и непоследовательными были также воззрения Канта, который постоянно колебался между материализмом и идеализмом. С одной стороны, Кант при разработке космогонической теории обосновал идею развития природы во времени и выдвинул глубокую догадку о «большой вселенной», бесконечной в пространстве. Но, с другой стороны, Кант сомневался в достоверности человеческого знания и не считал положение о бесконечности пространства и времени твердо доказанным. Эти колебания нашли выражение в так называемых антиномиях, или неразрешимых противоречиях, которые, по Канту свойственны человеческому разуму. Одна из этих антиномий касается как раз пространства и времени. Кант считает одинаково доказуемым как положение о том, что мир не имеет начала во времени и бесконечен в пространстве, так и положение о том, что мир имеет начало во времени и ограничен в пространстве. Доказательства этих положений интересны и оригинальны, хотя и содержат в себе противоречия и натяжки Энгельс разбирает противоречивость доказательств Канта в «Анти-Дюринге» в связи с критикой Дюринга, который отрицал бесконечность пространства и времени используя почти дословно аргументацию Канта, но выдавая ее за свое собственное открытие. Кант рассуждал следующим образом:

«Тезис. Мир имеет начало во времени, и в пространстве он также заключен в границы. — Доказательство. В самом деле, если мы допустим, что мир не имеет начала во времени то до всякого данного момента времени прошла вечность и, следовательно, истек бесконечный ряд последовательных состоянии вещей в мире. Но бесконечность ряда именно в том и состоит, что он никогда не может быть закончен путем последовательного синтеза. Следовательно, бесконечный протекший мировой ряд невозможен; значит, начало мира есть необходимое условие его существования, — это первое, что требовалось доказать»^[24].

Ограниченность мира в пространстве Кант доказывает на основании тезиса о конечности времени, который принимается за доказанный. Для того, чтобы могли соединиться в одно целое части бесконечного пространства, потребовалось бы бесконечное время, которое уже должно было бы протечь, поскольку мы принимаем бесконечность пространства не как продолжающийся процесс, а как нечто уже завершенное и имеющееся налицо. Но уже ранее было доказано, что время конечно и, следовательно, мир не мог стать бесконечным, а заключен в определенные границы.

В этом доказательстве в самом исходном предположении уже имеется то, что требуется доказать. Кант говорил, что к каждому данному моменту бесконечный ряд протекших состояний должен быть завершен, то есть он допускает границу для времени. Но наличие границы — это как раз то, что требовалось доказать. Правда, Кант относит эту границу к концу, а не к началу, но это не имеет существенного значения; то, что имеет конец, неизбежно имеет и начало, поскольку понятия начала и конца неразрывно связаны между собой и невозможны друг без друга. Следовательно, в самой исходной посылке о завершенности математического ряда содержится цель доказательства. Незавершенный бесконечный ряд продолжался бы в бесконечное будущее и, следовательно, никак нельзя было бы говорить о его начале в прошлом.

Таким же противоречивым является доказательство ограниченности пространства, поскольку оно основывается на принятии конечности времени.

Интересно отметить, что Кант наряду с этими приводит также и противоположные доказательства, которые он также считает неопровержимыми.

«Антитезис гласит: «Мир не имеет начала и границ в пространстве; он бесконечен как в отношении времени, так и в отношении пространства». Доказательство... «Допустим, что мир имеет начало. Так как начало есть такое существование, которому предшествует время, когда еще не было данной вещи, то началу мира должно было предшествовать время, когда еще не было мира, т. е. пустое время. Но в пустом времени невозможно возникновение какой бы то ни было вещи, так как никакая часть такого времени не заключает в себе преимущественно перед другой частью какого-либо отличительного условия существования, а не несуществования. Следовательно, в мире некоторые ряды вещей могут иметь начало, но сам мир не может иметь начала и в отношении протекшего времени бесконечен»»^[25].

Недостаточность этого доказательства была весьма убедительно показана еще Гегелем. Кант в основании здесь также принимает то, что требуется доказать. А именно, он утверждает, что началу мира и действительному существованию должно предшествовать какое-то другое время и существование, которое он называет пустым. Обычное время он продолжает в прошлое таким образом, что оно входит в это пустое время, упраздняет его и продолжает существование до бесконечности. По сравнению с этим доказательством религиозный догмат является даже более последовательным, поскольку он отвергает какое-либо время до сотворения мира, а сам акт творения объявляет логически необъяснимым, иррациональным.

Столь же неубедительно доказывается Кантом бесконечность мира в пространстве. Невозможность ограниченности мира Кант усматривает в том, что в таком случае мир «находился бы в пустом неограниченном пространстве и имел бы некоторое отношение к нему; но такое отношение мира к тому, что не есть какой бы то ни было предмет, есть ничто»^[26]. Следовательно, нужно признать безграничность мира.

И здесь в основании также принимается то, что требуется доказать: наличие пространства за пределами мира, который имеет отношение к этому пространству, как бы входит в него и продолжается до бесконечности. Как тезис, так и антитезис исходят из того, что имеется некоторая граница, и в то же время она не является границей, поскольку существует нечто за пределами ее. В одинаковой доказуемости обоих положений Кант видел неразрешимое противоречие, выход из которого он находил в том, что отрицал объективную реальность пространства и времени, объявляя их априорными формами чувственного созерцания. В нашем сознании могут быть противоречия; в самом же объективном мире их нет.

Совершенно очевиден метафизический и идеалистический характер этих воззрений. Объективная реальность пространства и времени доказывается всей общественно-исторической практикой человечества, так же как наличие в мире многообразных противоречий, составляющих движущую силу развития. И если Кант запутался в созданных им самим противоречиях, не сумев их решить логически обоснованным способом, то это еще не доказывает, что пространство и время не обладают объективной реальностью. Бесконечность времени нельзя доказать тем способом, к которому прибегал Кант, а именно — на основе предположения о том, что если бы время имело начало, то ему предшествовало бы какое-то другое время. Бесконечность времени доказывается прежде всего на основе принципа несотворимости и неуничтожимости материи и ее движения, который составляет важнейшую закономерность природы и подтверждается всеми данными науки и практики.

Действительно, если предположить, что время когда-то имело начало, то мы должны признать, что до этого было такое состояние бытия, когда не было времени. В этом состоянии не могло существовать никакого движения материи, поскольку движение предполагает пространство и время, а времени, по условию, не было. Коль скоро не было движения, то у материи не могли существовать никакие свойства и взаимодействия, так как взаимодействие всегда выступает как движение и свойства тел представляют собой результат их взаимодействий. Но если у материи не было никаких свойств, то никак нельзя говорить о ее бытии, ибо бытие материи невозможно без наличия у нее каких-либо свойств. Следовательно, до начала времени не могло существовать ни материи, ни движения. Легко понять, что «тогда» не могло быть и пространства, поскольку реальное пространство представляет собой выражение протяженности материи, а последняя, как было сказано, не должна была существовать. Таким образом, отсутствие времени ведет к тому, что невозможно никакое бытие. Но небытие по самому своему смыслу представляет то, что есть ничто и в чем ничего не может возникнуть. Значит, если бы мир когда-либо не существовал, если бы не существовало время и пространство, то они вообще не могли бы возникнуть. Поскольку же реальность мира несомненна, то это полностью опровергает тезис о возможности начала времени.

Единственное возражение на это может быть выдвинуто не с научно-логических позиций, а с позиций религии, которая исходит из признания сверхъестественного, иррационального сотворения мира вместе с сотворением самого пространства и времени. Но это возражение не основывается ни на каком доказательстве, оно представляет собой сугубо догматическое положение, которое предназначено не для понимания его, а для веры. С таким же основанием можно было бы утверждать, что мир реально не существует и что все, что мы наблюдаем, есть не что иное, как сон или грезы бога. Некоторые философы как раз и приходят к такому выводу^[27]. Если же мы будем исходить в своих рассуждениях из данных науки и практики, то мы неизбежно должны признать объективную реальность принципа несотворимости и неуничтожимости материи и движения, а на основании него — и вечность существования мира во времени и пространстве. Материя есть бесконечная и неисчерпаемая по своим свойствам субстанция вещей, которая непрерывно изменяется именно в силу своего существования и не нуждается ни в каком внешнем толчке для того, чтобы быть приведенной в движение.

Рассмотрим теперь, каким образом может быть доказано положение о бесконечности пространства. То доказательство, которое приводилось древними материалистами, — возможность неограниченного продвижения за пределы предполагаемой границы мира — в принципе справедливо, но оно нестрого, так как содержит в себе в неявном виде метафизическое понимание бесконечности как неограниченного повторения одних и тех же операций и явлений. Не предопределяя конкретного содержания бесконечности пространства, логичнее всего, на наш взгляд, выводить ее из бесконечности самой материи как субстанции мира. В природе существует бесконечное количество материи, и эта материя обладает неограниченной протяженностью. Чем можно доказать, что количество материи в мире бесконечно? Это доказывается на основании следующего. Ограниченность чего-либо можно обнаружить лишь в том случае, если в принципе можно выйти за пределы его в область других явлений. Но по отношению к материи эта операция принципиально неосуществима, так как в природе не существует ничего, кроме материи в ее многообразных формах. Коль скоро невозможно выйти за пределы материи, то нельзя говорить о ее ограниченности, из чего следует, что материя бесконечна.

Идея конечности пространства внутренне противоречива с логической точки зрения. Действительно, предположение о том, что пространство конечно, в неявном виде исходит из того, что существует некоторый предел для пространства, ибо конечность чего-либо можно доказать на основе определения его границ. Но само определение предела уже означает выход за него и переход к более обширной области. Поскольку эту операцию можно повторять неограниченно, то отсюда следует, что пространство бесконечно.

Диалектико-материалистическое понимание бесконечности пространства и времени коренным образом отлично от метафизического понимания. В классической физике принималось, что время течет независимо ни от каких изменений материи. В этом случае оно выступает как «чистое», не затронутое никакими примесями, следовательно, истинное время, время как таковое. Подобная точка зрения была сформулирована еще Ньютоном, и она разделялась почти всеми учеными вплоть до возникновения теории относительности. Это понимание времени содержит в себе внутренние противоречия, которые мы разбирали выше.

Единственный выход из этих противоречий заключается в том, чтобы связать время с процессом изменения самой материи. Время — это как раз то, что выражает процесс изменения материи со стороны его последовательности.

Но было бы неправильно рассматривать время и изменения в отношениях причины и следствия, то есть ставить вопрос о том, время ли есть причина изменений или же изменения есть причина времени. Понятия причины и следствия здесь совершенно неприменимы. Действительно, если считать, что изменения есть причина времени, то тогда нужно будет признать, что время может возникать после изменений и, значит, сами изменения происходили вне времени: ведь известно, что причина всегда самостоятельна по отношению к следствию и предшествует ему. Столь же неправильно утверждать, что время есть причина изменений, ибо совершенно неясно, что может выражать время до изменений. Отсюда следует, что понятия причины и следствия неприменимы по отношению к времени и изменениям, они не могут находиться в причинно-следственной связи.

Правильнее всего, на наш взгляд, рассматривать время как такую форму бытия материи, которая выражает процесс изменения со стороны его последовательности. Время — это длительность материальных объектов в их собственном бытии, длительность, зависящая от отношений данного тела к другим телам, а также от характера процессов, происходящих в нем. Ритм этих процессов может быть различным для различных материальных систем, так что системы, движущиеся друг относительно друга с большими скоростями или качественно различающиеся по своим внутренним закономерностям, не будут обладать также и одинаковым собственным временем. Этот важный вывод теории относительности выше был подробно проиллюстрирован на примере распада мезонов, а также других возможных процессах при околосветовых скоростях. Но он имеет также большое значение и для космологии, для понимания характера развития вселенной во времени. Бесконечность времени нельзя понимать в том смысле, что будто во вселенной всюду течет некоторое единое время и этого времени уже протекло бесконечно много. Теория относительности утверждает, что такого единого времени для всей вселенной не существует. Ввиду конечности скорости распространения взаимодействий события, одновременные в одной системе координат, будут не одновременными в другой системе, движущейся относительно первой; ритм времени будет различным в данных системах.

Таким образом, вечность времени не следует понимать в духе того, что будто вселенная бесконечно стара в некотором едином потоке времени. Ее следует понимать прежде всего в том смысле, что несотворимая и неуничтожимая материя имела и будет иметь бесконечное существование, безотносительно к тому, каков бы ни был временной ритм изменений ее конкретных форм.

«Бесконечность есть противоречие,— писал Энгельс,— и она полна противоречий. Противоречием является уже то, что бесконечность слагается из одних только конечных величин, а между тем это именно так»^[28]. Если бы бесконечность не складывалась из конечных величин, то она вообще не могла бы существовать, не обладала бы реальностью. «Именно потому, что бесконечность есть противоречие, она представляет собой бесконечный, без конца развертывающийся во времени и пространстве процесс. Уничтожение этого противоречия было бы концом бесконечности»^[29].

Диалектический материализм отвергает также метафизическую трактовку безграничности пространства, согласно которой, как бы далеко мы ни углублялись в просторы вселенной, всюду мы будем встречаться с однородными пространственными отношениями, с одинаковыми известными нам телами и закономерностями. Такая однородность строения далеко не очевидна. Единство мира не следует понимать как единообразие его строения. Напротив, единство мира предполагает его неисчерпаемость как в отношении пространственно-временных форм, так и в плане законов движения материи. Современная физика уже дает некоторые конкретные доказательства этой неисчерпаемости, правда, пока только в теоретическом плане.

Глава 9. СОВРЕМЕННАЯ КОСМОЛОГИЯ О БЕСКОНЕЧНОСТИ ВСЕЛЕННОЙ

1. Строение Галактики и Метагалактики

Современная космология изучает законы развития и структурной организации материи в доступной нам области вселенной. Ее выводы имеют большое значение для решения проблемы бесконечности пространства и времени. Однако в этом случае справедливыми могут быть лишь общие философские положения, соответствующие диалектическому материализму. Сюда относятся прежде всего основные законы диалектики, закон сохранения материи и движения, а также те закономерности, которые находят свое отражение в категориях материалистической диалектики. Что же касается конкретных законов, то они обладают ограниченной сферой действия, и распространение их за пределы применимости недопустимо. Некоторые зарубежные космологи не учитывают этого и экстраполируют выведенные законы — подчас недостаточно обоснованные — на всю вселенную в целом. В результате этого в космологию протаскиваются различные идеалистические теории, вроде теории расширения всей вселенной, неизбежности ее тепловой смерти и т.п.

Всякая экстраполяция законов за пределы доступной области мира должна проводиться с большой осторожностью, особенно если она касается частных свойств материи. Как говорил еще Аристотель, «самое маленькое отступление от истины в дальнейшем ходе развития увеличивается в десятки тысяч раз». Экстраполяция может быть тем ближе к истине, чем более общих свойств материи она касается,— если, конечно, теория основывается на принципах диалектического материализма.

Наличие в природе общих законов имеет огромное значение для правильного познания мира. Более того, именно благодаря этому возможно безграничное познание природы. Всякий новый закон может быть понят и объяснен, если установлена его внутренняя связь с известными ранее законами и само открытие этого нового закона возможно было лишь на основе уже известных принципов. Научное познание достигает тем больших успехов, чем глубже и полнее оно раскрывает единство закономерностей, управляющих различными явлениями, и в свою очередь знание единства законов приводит к новым открытиям. Свойства гигантских космических тел изучаются на основе законов движения мельчайших частиц материи, знание малого является основой для раскрытия бесконечного. Благодаря единству законов изучение явлений в относительно небольшой области вселенной дает возможность познать сущность процессов в областях, намного больших по своим размерам. Путь к исследованию бесконечной вселенной лежит через изучение доступной нам области мира, отражающей в себе состояние бол ее обширных областей. Поэтому глубокое изучение видимых миров может дать ценные сведения о процессах, разыгрывающихся в необычайно удаленных областях космоса. Рассмотрим в связи с этим важнейшие представления современной космологии о структуре известной части вселенной. Наш краткий обзор мы начнем с рассмотрения строения нашей Галактики, как наиболее изученной звездной системы.

Галактика состоит примерно из 150 миллиардов звезд, объединенных в виде диска, или, точнее, гигантской спирали. Ее диаметр составляет примерно 100 000 световых лет, а толщина — 16 000 световых лет.

Помимо звезд, Галактика включает в себя около 100 миллионов диффузных туманностей, состоящих из пыли и газа. Общая масса Галактики оценивается примерно в 120 миллиардов солнечных масс, или 2,5·10⁴⁴ г.

Галактика имеет спиральную структуру и состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Диаметр звездного ядра Галактики — не менее 4000 световых лет, а его масса равна примерно 5% массы всей Галактики. Ядро Галактики не видно в обычных лучах из-за поглощения света пылевыми облаками, но его можно сфотографировать в инфракрасных лучах. Солнце расположено на расстоянии 28000 световых лет от ядра и на расстоянии 22 000 световых лет от края Галактики.

Движения звезд в Галактике весьма сложны, но в общем их можно описать как вращение всей Галактики вокруг своей оси, это вращение не похоже на вращение твердого тела, скорость вращения в центральных областях больше, чем на периферии. Наше Солнце движется вокруг центра Галактики со скоростью примерно 234 км/сек, совершая полный оборот за 190 миллионов лет.

Значительная роль в Галактике принадлежит темной диффузной материи. Плотность диффузных туманностей очень мала — в среднем 10^-23г/см³, или несколько атомов водорода на 1 см³. Но ввиду огромной протяженности туманностей их масса весьма велика и составляет несколько сот миллионов солнечных масс. Возможно, часть диффузного вещества была выброшена горячими звездами в ходе их эволюции; происхождение же остального вещества еще неясно.

Как ни велика наша Галактика, она все же представляет собой сравнительно малую область по сравнению с той частью вселенной, которая доступна наблюдениям. За ее пределами существует бесчисленное множество других звездных систем и туманностей, из которых значительная часть имеет размеры, близкие к размерам Галактики. Ближайшими к нам наиболее крупными системами являются Большое и Малое Магеллановы Облака, а также галактика в созвездии Андромеды, находящаяся на расстоянии около полутора миллионов световых лет. Галактика Андромеды замечательна тем, что у нее ясно обрисованы спиральная структура и шарообразное ядро, которое в настоящее время удалось «разрешить» на фотографии на отдельные звезды. По своему внешнему виду она весьма похожа на нашу звездную систему и имеет примерно такие же размеры.

Число открываемых внегалактических туманностей растет с каждым годом. 200-дюймовый рефлектор Паломарской обсерватории в США в состоянии зафиксировать более 400 миллионов галактик. Наиболее удаленные из них находятся на расстоянии примерно 2 миллиардов световых лет, или 2·10²⁷ см. Луч света начал свое движение с этих миров, когда на Земле происходили первичные тектонические процессы, но еще не было жизни. Когда свету осталось пройти до Земли одну двухтысячную часть своего пути, на Земле началось очеловечение обезьяны. За это время сменилось 40 000 поколений людей, пока, наконец, не были созданы телескопы и фотопластинки, способные воспринять послание от этих необычайно удаленных миров. Но те расстояния, которые свет может пройти лишь за миллиарды лет, научная теория охватывает за неизмеримо более короткие отрезки времени.

Не все галактики обнаруживают спиральную структуру. Большая часть наблюдаемых галактик имеет примерно сферическую форму. Они называются эллиптическими. Кроме них, встречаются еще и бесформенные, неправильные галактики.

Каково пространственное распределение наблюдаемых галактик? Четко выраженной закономерности здесь еще не обнаружено. Галактики образуют малые группы, большие облака, облака облаков и существуют поодиночке в обширных областях пространства. Но для большинства галактик заметна тенденция к скучиванию и образованию групп самых различных размеров. Наша Галактика, например, является членом системы из 17 галактик, расположенных в радиусе 1 миллиона световых лет. За пределами этой области ближайшая галактика находится на расстоянии лишь 8 миллионов световых лет. Существуют скопления галактик, насчитывающие по нескольку тысяч членов. Однако распределение самих галактик в радиусе около 500 миллионов световых лет не обнаруживает никаких явных закономерностей и является в основном равномерным. Если общее число галактик видимой звездной величины n+1 поделить на число галактик п — величины, то частное от деления будет равно 3,98. Такой закон имел бы место для видимых звезд, если бы звезды равномерно заполняли пустое пространство. Для звезд нашей Галактики частное от деления получается меньше, чем 3,98, что обусловлено наличием больших облаков темной материи, поглощающих свет звезд. Выполнение этого соотношения для галактик указывает на то, что поглощение света в межгалактическом пространстве очень мало из-за незначительной плотности вещества, а в целом галактики в доступной современным инструментам области вселенной распределены сравнительно равномерно.

Из этого, однако, нельзя делать вывод о том, что галактики распределены равномерно во всей бесконечной вселенной. Такое распределение может иметь место, очевидно, Для ограниченных масштабов, за которыми начинаются космические системы с новой структурной организацией.

В настоящее время имеются доказательства, что видимые галактики входят в состав системы значительно больших масштабов — Метагалактику. По некоторым данным, наша Галактика находится от центра Метагалактики на расстоянии в несколько десятков миллионов световых лет и движется вокруг центра со скоростью около 1000 км/сек. Радиус Метагалактики оценивается примерно в 2,5—3 миллиарда световых лет, причем эта цифра может быть еще увеличена. Возможно, что Метагалактика имеет форму диска и вращается вокруг своей оси за период в 10¹¹—10¹² лет. Но все эти цифры еще не надежны, так как имеется слишком мало данных наблюдений. Несомненно лишь то, что Метагалактика должна состоять из большого количества подсистем, представляющих собой местные скопления галактик, подобно тому как наш Млечный Путь состоит из множества взаимопроникающих подсистем звезд. Ясно также, что Метагалактикой не исчерпывается вся вселенная и за пределами этой системы существует бесчисленное множество других систем различной структурной организации.

2. Парадоксы бесконечного

Общие положения о безграничности вселенной в пространстве при их последовательном развитии наталкиваются на ряд значительных трудностей. Наличие их неоднократно давало повод к оспариванию самой идеи бесконечности пространства.

Еще в 1823 г. Ольберс высказал мысль о том, что если бы вселенная была бесконечной и заключала в себе бесчисленное множество звезд, равномерно распределенных в пустом пространстве, то светимость каждого участка звездного неба была бы столь же яркой, как светимость поверхности Солнца. Яркость звезд уменьшается пропорционально квадрату расстояния до них, и в том же отношении уменьшаются их видимые угловые размеры. Поэтому если допустить, что звезд бесконечно много, то глаз должен был бы видеть их в любом направлении, любая площадка неба оказалась бы сплошь усыпанной звездами и имела бы ослепительную яркость, чего, как известно, не наблюдается.

Наряду с этим фотометрическим парадоксом в 1894 г. Зеелигером был выдвинут гравитационный парадокс, согласно которому при наличии во вселенной бесконечного количества звезд силы тяготения, действующие на любое тело, были бы бесконечно большими. Действительно, если предположить, что всюду во вселенной действует закон тяготения Ньютона и средняя плотность вещества всюду отлична от нуля, то значение гравитационного потенциала, вычисленного для всего мира, будет иметь бесконечную величину в каждой точке пространства. Но в этом случае на любое тело должны были бы действовать бесконечные силы и под их действием тела должны были бы приобретать бесконечные ускорения, чего не наблюдается.

Фотометрический парадокс пытались устранить, допустив существование темной межзвездной материи, которая поглощает свет. Однако это еще более усугубляло трудности, возникающие в связи с гравитационным парадоксом, поскольку наличие дополнительной материи приводит к еще большему увеличению напряженности гравитационных полей.

Оба указанных парадокса исходили из неявно принимаемого предположения о том, что звезды распределены в бесконечном пространстве равномерно, а само пространство всюду является эвклидовым. Считалось также, что известные физические законы, характеризующие тяготение, излучение, а также другие взаимодействия электромагнитного и гравитационного полей с веществом, являются единственными законами и действуют всюду во вселенной. Все эти предположения произвольны, не имеют под собой достаточных оснований, но до развития общей теории относительности они не подвергались сомнению.

В 1908 г. шведский астроном Шарлье сделал попытку устранить оба парадокса на основе теории иерархического строения вселенной, выдвинутой еще Кантом и Ламбертом. Вселенная, по этой теории, устроена таким образом, что каждая система входит в еще большую систему, та — в еще большую и т. д. Совокупность звезд образует Галактику, совокупность галактик — Метагалактику и т. д. При наличии определенного соотношения между параметрами систем фотометрический и гравитационный парадоксы устраняются. Так, если предположить, что какая либо звезда находится на границе галактики первого порядка, галактика первого порядка — на границе галактики второго порядка, та — на границе системы третьего порядка и т. д., то сила тяготения, действующая на эту звезду, может быть представлена сходящимся рядом, сумма членов которого конечна. Аналогичным образом устраняется и фотометрический парадокс. Для сходимости ряда необходимо, чтобы отношение радиуса системы п к радиусу системы п —1 подчинялось следующему соотношению

где N_n — число звезд или галактик в системе n-го порядка.

Расчеты показывают, что это простое соотношение в общем подтверждается для галактик, подобных нашей, и для Метагалактики^[30]. Назовем их системами 1-го и 2-го порядка. Если считать, что в Метагалактике находится примерно 10¹⁰ галактик, то отношение R₂/R₁ будет больше 100 000. Полагая, что радиусы галактик близки в среднем к 30 000 световых лет, получаем радиус Метагалактики R₂>3·10⁹ световых лет, что согласуется с ожидаемым результатом. Однако совпадение условия Шарлье с возможной структурой данных систем еще не значит, что эту схему можно переносить на всю бесконечную вселенную. При таком перенесении мы наталкиваемся на ряд непреодолимых трудностей.

Первая из них связана с трактовкой плотности вещества. При иерархической организации вселенной средняя плотность вещества будет тем меньше, чем выше порядок системы, поскольку масса системы возрастает гораздо меньше, чем объем пространства, занимаемый системами. Так, в солнечной системе в объеме пространства с радиусом, равным орбите Плутона, средняя плотность вещества равна примерно 2·10^-12 г/см³; в Галактике она уже равна 10^-24г/см³, а в Метагалактике — 4·10^-29 г/см³. Чтобы представить себе наглядно среднюю плотность в Метагалактике, допустим, что у нас имеется стакан воздуха с несколькими пылинками в нем и мы расширяем его до тех пор, пока плотность вещества в нем не станет равной 4·10^-29г/см³. Чтобы получить требуемую плотность, нам пришлось бы увеличить стакан до таких размеров, что его диаметр стал бы равен 17 000 км, а высота — 27 000 км. В таком «стакане» уместилось бы 6,5 земных шаров. А сфера с радиусом Земли содержала бы в пространстве Метагалактики в среднем 0,04 г вещества.

Легко видеть, что в схеме иерархически построенной вселенной плотность вещества будет уменьшаться и дальше при возрастании порядка систем. Экстраполируя эту закономерность на бесконечность, мы должны будем признать, что впределе для бесконечного пространства средняя плотность материи равна нулю. Бесконечная вселенная оказывается бесконечно пустой — если только к ней применимо это выражение.

В теории Шарлье как раз принимается, что средняя плотность материи во вселенной равна нулю; эта предпосылка является необходимым условием для устранения фотометрического и гравитационного парадоксов. Однако принятие такого условия означало бы упразднение материи применительно ко всей вселенной. С этой точки зрения теряет смысл и само понятие пространства, поскольку пространство не обладает независимым от материи существованием, оно выражает протяженность материи, и если средняя плотность материи для вселенной оказывается равной нулю, то теряет смысл и само понятие пространства. Мы приходим к признанию абсолютной пустоты, причем не для одной какой-либо области мира, а для всей вселенной в целом. Ясно, что такое решение совершенно неприемлемо.

Трудности возникают еще и в следующем отношении. Если допустить, что вселенная в целом построена иерархически и средняя плотность в ней стремится к нулю, то необходимо признать, что по мере увеличения размеров систем постоянно уменьшается вероятность поглощения веществом рассеянного излучения. Чем выше порядок системы, тем больше количество излучения будет она безвозвратно рассеивать в мировом пространстве. Со временем неизбежно должно наступить такое состояние, когда вся энергия, заключающаяся в звездах, будет рассеяна вместе с электромагнитным излучением и в мире наступит термодинамическое равновесие. Поскольку вселенная существует бесконечно, то такое состояние должно было бы уже наступить сколь угодно давно. Тот факт, что оно не наступило, говорит о том, что в мире происходит не только рассеяние, но и поглощение излучения с включением его в новый цикл развития. А это поглощение возможно в рамках всей вселенной лишь в том случае, если всюду средняя плотность материи отлична от нуля, что говорит против теории иерархического строения всей вселенной.

Решение фотометрического и гравитационного парадоксов следует, на наш взгляд, искать на основе исследования особенностей взаимодействия электромагнитного и гравитационного полей с веществом в рамках космоса. Наличие иерархической последовательности систем в известных границах пространства от 10^-19см до 10²⁷см еще не означает, что подобная же последовательность будет бесконечно простираться и дальше в глубь материи, а также в масштабе космоса. По-видимому, она обрывается с обеих сторон, уступая место другим формам структурной организации материи. Выше было показано, что понятие механической системы неприменимо к элементарным частицам, которые не расщепляются на элементы даже в том случае, если энергия внешнего воздействия в тысячи раз превышает собственную энергию частицы, соответствующую ее массе покоя: происходит лишь превращение элементарных частиц из одних форм в другие. Иерархическая лестница соподчиненных механических систем обрывается на элементарных частицах благодаря особому характеру их взаимодействий. Можно думать, что подобные же ограничения для иерархической последовательности систем имеются и в масштабе космоса. Метагалактика, по-видимому, еще не является таким пределом, и могут быть системы еще большего порядка, объединяющие множество метагалактик, но нет никаких оснований рассчитывать на то, что и дальше материя будет объединяться подобным образом, приводя к образованию все больших и больших систем. Чтобы убедиться в справедливости сказанного, рассмотрим, какой смысл вкладывается в понятие материальной системы и каковы закономерности объединения систем в системы еще большего порядка.

Системой можно назвать такую совокупность тел, которые настолько тесно связаны между собой, что вся эта совокупность взаимодействует с другими системами как единое целое. Между составными элементами всякой системы должна быть постоянная и устойчивая связь, значительно большая, чем связь с элементами других систем. Другими словами, необходимым условием существования целостной системы является то, чтобы энергия ее внутренних связей была больше энергии внешних, а также кинетической энергии движения ее составных элементов. В противном случае данная система распадается под влиянием внешних или внутренних сил. Для всех наблюдаемых систем сформулированное условие устойчивости соблюдается. Атомы, молекулы, макроскопические твердые тела, звездные скопления и галактики взаимодействуют с другими подобными им системами как единое целое. Энергия внутренних связей в них значительно больше кинетической энергии их составных элементов и энергии внешних связей. Однако это имеет место далеко не для всякой совокупности тел. Так, если представить себе газ в вакууме, то он не будет существовать как устойчивая система. Кинетическая энергия молекул газа значительно больше энергии притяжения между молекулами, и они разлетятся на большие расстояния друг от друга: этот газ уже не будет единой системой.

Теперь рассмотрим, соблюдаются ли условия образования и устойчивости систем в масштабе космоса. Вплоть до скоплений галактик критерий устойчивости будет в общем выполняться. Однако этого нельзя сказать о возможных системах еще большего порядка. Дело в том, что с увеличением размеров космических систем возрастает кинетическая энергия движения каждой системы. По измерениям эффекта «красного смещения» в спектрах далеких галактик, они движутся относительно друг друга с огромными скоростями, доходящими до 120 000 км/сек. Огромной кинетической энергией должна обладать также Метагалактика в ее движении относительно других систем. В то же время в отношении сил притяжения наблюдается обратная закономерность: энергия связи, приходящаяся на единицу массы, уменьшается с возрастанием порядка систем. Это объясняется тем, что с увеличением масштабов систем неуклонно уменьшается средняя плотность вещества. На некотором этапе энергия гравитационных связей между системами станет меньше их кинетической энергии, и дальнейшее объединение в систему еще большего порядка окажется невозможным. Иерархическая последовательность систем здесь обрывается, и дальнейшая структурная организация материи происходит по другому закону.

Для того чтобы во вселенной могла существовать бесконечная иерархическая последовательность систем, в каждой из них энергия внутренних связей должна быть больше энергии внешних связей и кинетической энергии составных элементов. Для систем больших размеров эта энергия должна быть необычайно велика, а для всей вселенной она должна быть бесконечной. Но эти бесконечно большие силы тяготения внутри последовательно возрастающих систем должны были бы сказываться на каждом теле, чего, как известно, не наблюдается. Как это ни парадоксально, но вселенная Ламберта — Шарлье не устраняет, а, напротив, предполагает гравитационный парадокс, поскольку бесконечные потенциалы тяготения являются необходимым условием для естественного образования неограниченной иерархической последовательности систем. При отсутствии сколь угодно больших значений потенциалов космические системы, начиная с некоторого порядка величины, уже не смогли бы удержать в себе свои составные элементы, и эти системы с течением времени неизбежно распались бы или — что гораздо более вероятно — они вообще не могли бы образоваться.

Те, кто отстаивает иерархическое строение вселенной, произвольно принимают, что вселенная уже устроена согласно этой теории, но забывают задать вопрос о том, как вселенная могла прийти к этому состоянию. Ведь всякая ограниченная материальная система, как бы велики ни были ее размеры, не может быть вечной. Она исторически возникла из других форм материи. Значит, должны быть соответствующие силы, которые обеспечили объединение различных тел в данную систему. В случае молекул, атомов, солнечной системы и галактик эти силы имеют конечное значение. Но если мы возьмем намного большую систему, то эти силы также должны быть во много раз больше, а для бесконечно больших сил они будут бесконечно велики, иначе подобные системы не смогут возникнуть. Теория Шарлье предполагает реальность бесконечно больших систем иерархической последовательности, поскольку фотометрический и гравитационный парадоксы устраняются лишь в сходимости бесконечного ряда. Но коль скоро мы допускаем реальность таких систем, логически следует необходимость и бесконечно больших потенциалов тяготения, являющихся непременным условием возникновения и существования таких систем. Следовательно, мы возвращаемся к признанию того, что теория должна была бы опровергнуть или устранить. А это значит, что фотометрический и гравитационный парадоксы на основе данной теории не устраняются.

В отношении фотометрического парадокса делались попытки его устранения на основе интерпретации «красного смещения» в спектрах внегалактических туманностей. Мы не будем сейчас подробно останавливаться на сущности красного смещения — это будет сделано ниже. Отметим лишь, что спектральные линии всех внегалактических туманностей смещены к красному концу, причем тем в большей степени, чем дальше от нас расположена туманность. Это смещение рассматривается как следствие реального удаления галактик, скорость которых тем больше, чем дальше они находятся друг от друга.

Красное смещение как будто устраняет фотометрический парадокс применительно к видимой области спектра. Свет очень далеких галактик оказывается смещенным в область инфракрасных лучей и радиоволн, не воспринимаемых глазом. Однако этим вся проблема еще не решается, поскольку даже при наличии красного смещения фотометрический парадокс должен был бы иметь место для инфракрасных лучей и радиоволн, чего, однако, не наблюдается. Чтобы объяснить этот факт, необходимо предположить, что удаление галактик и эффект расширения происходят во всей бесконечной вселенной. Это, однако, совершенно невероятно, поскольку допущение такого расширения для вселенной в целом приводит к признанию сотворения мира. Если же исходить из научного положения о том, что мир не был сотворен, но расширение тем не менее происходит во всей вселенной, то для объяснения разбегания галактик по всему бесконечному пространству мы должны признать вечность процесса расширения, поскольку скорость его конечна. Но если бы это было так, то между галактиками в настоящее время должны были бы быть бесконечно большие расстояния, что полностью противоречит действительности. Таким образом, одно лишь красное смещение не дает последовательного устранения фотометрического парадокса, не говоря уже о том, что оно оставляет в стороне проблему тяготения.

Наиболее последовательное и непротиворечивое решение фотометрического и гравитационного парадоксов для бесконечной вселенной может заключаться, на наш взгляд, в признании возможности поглощения электромагнитного и гравитационного полей веществом или другими, неизвестными нам телами — поглощения, которое сопровождается переходом квантов полей в качественно иные формы материи.

Идея поглощения света межзвездной материей высказывалась уже давно и многократно разрабатывалась с различных сторон. Однако ввиду того, что не было известно достаточно определенных данных о характере превращений частиц и полей, эта идея постоянно оспаривалась и не считалась убедительной. Против нее высказывалось то соображение, что если допустить реальность поглощения света после его многократного рассеяния, то поглощающая материя в конце концов аккумулирует в себе такое количество энергии, что начнет излучать свет, причем это излучение и, следовательно, яркость неба будут тем значительнее, чем больше оптическая толща темной материи. Таким образом, наличие поглощения света не устранит, а, наоборот, усилит фотометрический парадокс.

Это возражение неявно исходит из допущения того, что возможен только один процесс — переход вещества в излучение, обратный же переход невозможен. Между тем подобное допущение ни на чем не основано. Звезды в процессе своей эволюции постоянно теряют за счет электромагнитного излучения значительную долю своей массы. Это излучение возникает за счет термоядерных реакций, в которых материя с конечной массой покоя превращается в электромагнитное поле. Если допустить, что во вселенной происходят только такие процессы, но обратный переход излучения в вещество невозможен, то мы неизбежно должны признать, что примерно через 10¹² лет все вещество в окружающей нас области мира должно превратиться в излучение. Более того, поскольку мир существует вечно во времени, то такое превращение уже давно должно было бы произойти, что, однако, не соответствует действительности. Выход из этого противоречия может быть двоякого рода: первое — это признать, что во вселенной происходит постоянно поглощение электромагнитного излучения, сопровождающееся его переходом в вещество; второе — допустить, что такой переход невозможен и что наблюдаемый мир возник несколько миллиардов лет назад из принципиально иного состояния материи, которое характеризовалось совершенно иными закономерностями и в котором не было ни превращения вещества в излучение, ни самих этих форм материи. В последнем случае — мир вечен, но изменения в наблюдаемой нами области вселенной происходят только в направлении перехода вещества в излучение. Отсюда следует, что через 10¹²—10¹⁵ лет основная масса вещества в нашем мире превратится в излучение и мир снова перейдет в принципиально иное состояние, к которому будут неприменимы все наши представления. Допущение второй возможности в принципе также устраняет фотометрический парадокс, однако оно требует коренных изменений в современном понимании вселенной. Почти все основные законы природы оказываются тогда не вечными, а историческими, действующими лишь в течение ограниченного периода времени. Хотя эту точку зрения невозможно сейчас ничем опровергнуть, в пользу ее нельзя привести и никаких доказательств. Поэтому представляется более естественным оставить в стороне вторую возможность и рассматривать только первую, тем более, что она вытекает из имеющихся представлений о связи частиц и полей.

В настоящее время широко известен процесс превращения фотонов в электроны, позитроны и мезоны. Возможен также переход фотонов в нуклоны, хотя для этого фотоны должны обладать очень большой энергией. В обычных процессах поглощения солнечного света Землей электромагнитное излечение также превращается в другие формы материи, а его энергия переходит в тепловую, химическую и другие виды энергии Вполне возможно, что и в масштабе космоса, где встречаются физические условия, принципиально отличные от земных, процессы полного поглощения идут постоянно и интенсивно, выступая в качестве необходимой противоположности по отношению к излучению. В таком случае фотометрический парадокс устраняется естественным образом и яркость ночного неба должна быть именно такого порядка, как мы наблюдаем.

Рассмотрим теперь возможные пути устранения гравитационного парадокса. В качестве одной из возможностей укажем на идею полного поглощения гравитации веществом с переходом ее в другие формы материи. Современная квантовая теория поля рассматривает гравитационное поле как особую форму материи, подобно электромагнитному полю. Гравитационное поле постоянно излучается всеми телами и уносит с собой определенную часть их энергии. Правда, эта потеря энергии намного меньше, чем за счет электромагнитного излучения, она становится заметной лишь за периоды времени порядка многих миллиардов лет. Но это количественное различие не имеет принципиального значения, так как в масштабе вечности указанные промежутки времени столь же малы, как и тысячелетия. Важен сам факт перехода вещества в гравитацию. Принимая этот переход в качестве реального процесса, мы приходим к тем же выводам, которые были сделаны в отношении электромагнитного поля. А именно, если известные нам формы материи превращаются в гравитацию необратимо, то в силу вечности существования мира во вселенной к настоящему времени имелось лишь только гравитационное поле. Поскольку же этого нет, то мы должны допустить указанные две возможности: или полное поглощение гравитации с переходом ее в другие формы материи, или же принципиальное преобразование структуры мира через определенные промежутки времени. Как и в случае электромагнитного поля, в настоящее время первая возможность представляется более правдоподобной.

Выше уже указывалось, что в квантовой теории поля допускается возможность превращения гравитонов в пары электронов-позитронов. Очевидно, в природе реализуются и другие превращения, тем более, если учесть, что между электромагнитным и гравитационным полями существует глубокое внутреннее единство. Результатом всех этих превращений будет конечность потенциалов гравитационного поля для всей вселенной и для каждой ее конечной области.

Точно так же можно предполагать возможность поглощения нейтрино, которые уносят значительную часть энергии звезд. Эти микрообъекты также должны каким-то образом включаться в новый цикл развития.

Таким образом, различные частицы и поля, прерывные и непрерывные формы материи находятся во вселенной в органическом единстве и взаимных превращениях.

Наконец, следует указать еще на один путь устранения гравитационного парадокса в качестве дополнения к тому, который был описан выше. В классической физике при формулировке данной проблемы неявно предполагалось, что ньютоновский закон тяготения одинаково действует во всей вселенной на сколь угодно больших расстояниях. Общая теория относительности говорит, что это не так. В масштабах больших космических систем вступают в силу другие законы, которые действуют таким образом, что постановка вопроса о бесконечности потенциала тяготения становится неприменимой к миру в целом. Но, прежде чем перейти к этим сложным проблемам, необходимо вкратце остановиться на важнейших достижениях теории относительности в понимании структуры пространства и времени в известной области вселенной.

3. Метрические свойства пространства и времени

До начала XIX в. в физике и геометрии господствовало представление о независимости свойств пространства и времени от материи. Эту точку зрения хорошо выразил Ньютон в понятии абсолютного пространства и абсолютного времени. Предполагалось, что время течет одинаково всюду во вселенной, а пространство — независимо от того, рассматриваем ли мы микромир или космос, — обладает всегда однородными свойствами, которые выражаются геометрией Эвклида. Замечательная логическая стройность и глубина геометрии Эвклида не раз служили поводом для утверждений, что будто бы эта геометрия выведена не из опыта, представляет собой свободное творение человеческого разума. Кант на основе этого развивал теорию о том, что пространство и время представляют собой априорные формы чувственного созерцания.

Впервые подобные взгляды на пространство и время, а вместе с ними и априоризм Канта были поколеблены Н. И. Лобачевским (1792—1856), создавшим неэвклидову геометрию.

Подобно многим геометрам до него, Лобачевский пытался доказать так называемый пятый постулат Эвклида, согласно которому через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести только одну прямую, параллельною данной. В доказательстве этого постулата многие выдающиеся математики проявили большую изобретательность и остроумие, однако все их усилия оказывались безрезультатными, так как в конечном счете обнаруживалось, что в основе доказательства лежит какой-нибудь новый постулат, равноценный доказываемому. Неудача всех этих попыток возбудила у Лобачевского подозрение в том, что этот постулат принципиально недоказуем. Чтобы убедиться в этом, он выдвинул противоположный постулат, согласно которому через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести не одну, а по крайней мере две прямых, параллельных данной. Это положение Лобачевский присоединил к другим аксиомам геометрии Эвклида, которые он принял как незыблемые. Рассчитывая на то, что последовательное рассуждение приведет в конечном счете к противоречию принятого положения с другими аксиомами, Лобачевский развил цепь доказательств, в результате которых неожиданно выявилось, что никакого противоречия не возникает. Более того, новая, неэвклидова геометрия оказалась столь же внутренне обоснованной и стройной, как и геометрия Эвклида. Правда она приводила к ряду удивительных следствий, которые казались противоречащими здравому смыслу. Она утверждала, например, что сумма углов треугольника меньше двух прямых, что длина окружности не пропорциональна радиусу, а растет быстрее. Однако Лобачевский нисколько не смущался этим кажущимся противоречием, так как он был убежден, что свойства пространства зависят от распределения вещества и в различных областях пространства могут быть отступления от геометрии Эвклида. Подтверждение этой мысли Лобачевский надеялся найти в будущих астрономических наблюдениях.

Дальнейшее развитие идеи Лобачевского было дано немецким математиком Риманом. Риман показал, что метрика, или мероопределение, пространства зависит от характера действующих сил. Поэтому риманово пространство отличается от свойств эвклидова пространства и совпадает с ним лишь в бесконечно малых областях. Мерой отличия риманова пространства от эвклидова является так называемая кривизна пространства. Следствием этой кривизны является, например, то, что сумма углов треугольника, стороны которого являются геодезическими линиями, может быть не равна двум прямым, а длина окружности не будет возрастать пропорционально радиусу.

Кривизна пространства может быть положительной, отрицательной и нулевой. Пространство нулевой кривизны будет обладать совершенно однородными метрическими свойствами и тождественно эвклидову пространству. Пространство положительной кривизны будет обладать геометрией, сходной с геометрией сферической поверхности, а пространство отрицательной кривизны будет пространством Лобачевского.

Эти абстрактные представления получили неожиданное подтверждение в общей теории относительности.

Общая теория относительности истолковала гравитационное поле как своеобразное искривление пространства — времени. Предположим, что мы задаемся целью определить прямую линию в пространстве. Эту прямую мы не можем отнести к абсолютной пустоте; мы обязательно должны связать ее с каким-либо материальным процессом, например с распространением светового луча. Обычно прямая определяется как кратчайшее расстояние между двумя точками. Пусть нам требуется определить кратчайшее расстояние между Землей и какой-либо звездой. Очевидно, таким расстоянием будет то, которое мы сможем измерить вдоль луча зрения. Но это означает, что в качестве кратчайшего расстояния мы приняли линию распространения светового луча.

Теперь представим себе, что световой луч проходит вблизи тела с большой массой, например вблизи Солнца. Согласно теории относительности, под действием поля тяготения он отклонится в сторону Солнца на угол 1,75 секунды дуги. Это отклонение можно зарегистрировать следующим образом. До солнечного затмения фотографируется тот участок звездного неба, на котором должно быть Солнце во время затмения. Затем тот же участок неба фотографируется во время полного солнечного затмения, когда в наступившей темноте становятся отчетливо видны наиболее яркие звезды. Если теперь совместить обе полученные фотографии, то окажется, что изображения звезд не совпадут. Это объясняется тем, что в первом случае свет распространяется в отсутствии мощного поля тяготения Солнца, тогда как во втором случае это поле имеется и вызывает отклонения световых лучей. Но мы ранее определили прямую линию как линию распространения светового луча, и, значит, мы должны признать, что пространство в присутствии полей тяготения искривлено, то есть его метрические свойства отличаются от свойств эвклидова пространства. На это, правда, можно возразить, что никакого искривления пространства нет, а имеется лишь искривление световых лучей в полях тяготения, а сами эти поля действуют в эвклидовом пространстве, где имеются идеальные прямые линии. Но это возражение неосновательно, ибо оно предполагает возможность определения прямых линий независимо от каких-либо материальных процессов — по отношению к пустому пространству. Но такое определение принципиально невозможно, поскольку в пустоте ничто не содержит в себе какого-либо отличия перед чем-либо другим. Кроме того, мы не должны забывать о том, что пространство — это не ящик, в котором находится материя, а важнейшая форма бытия материи, выражающая ее протяженность. Поэтому совершенно неверно говорить о свойствах пространства в отрыве от различных материальных полей. Эйнштейн был совершенно прав, когда говорил: «Пространственный аспект реальных вещей... полностью выражается полем... оно есть свойство этого поля. Если представить себе, что поле удалено, то не останется и «пространства», так как пространство не имеет независимого существования^[31].

Было бы неправильно думать, будто искривленное пространство находится в каком-то другом, не искривленном пространстве, по отношению к которому оно искривлено. Искривление пространства следует понимать просто как отличие его свойств от свойств эвклидова пространства. В эвклидовой геометрии отображены те пространственные отношения, которые характерны для простейшего механического движения при сравнительно малых скоростях. В отличие от этого риманова геометрия, используемая в теории относительности, отражает те пространственные отношения тел, которые возникают при больших скоростях движения тел, близких к скоростям света, а также при наличии гравитационных полей. Поэтому риманова геометрия неразрывно связана с теорией гравитационных и электромагнитных явлений.

Рассмотрим теперь, в чем проявляется изменение свойств времени в зависимости от распределения материи. Как уже было сказано, теория относительности опровергла старые представления об абсолютности времени и доказала, что никакого единого однородного времени, текущего одинаково всюду во вселенной, не существует. Ритмика временных процессов изменяется также в зависимости от наличия полей тяготения. Вблизи больших масс время как бы течет медленнее. Конкретное физическое проявление этого можно видеть, например, в факте смещения к красному концу спектральных линий света, излучаемого массивными звездами^[32].

Это смещение соответствует меньшему числу колебаний атомов в единицу времени на звезде по сравнению с числом колебаний на Земле.

Все эти факты убедительно говорят, что пространство и время неразрывно связаны не только с материей, но и между собой. Вследствие этого с научной точки зрения более правильно было бы говорить не о различных формах бытия материи — отдельно о пространстве и отдельно о времени,— а о единой форме бытия — пространстве — времени. Объективно в природе они не существуют независимо друг от друга, и всякое разграничение их имеет весьма условный смысл. В теории относительности такое объединение пространства — времени уже достигнуто в понятии четырехмерного континуума.

Рассмотрим теперь, какое значение имеют изложенные принципы и факты для понимания структуры доступной нам области вселенной. Прежде всего необходимо остановиться на кривизне пространства. Применимо ли понятие кривизны к реальному пространству и если да, то какое значение может иметь кривизна? Является ли она положительной или отрицательной или же кривизна в общем равна нулю и наше пространство—эвклидово?

Что касается предположения о нулевой кривизне и эвклидовости пространства, то оно противоречит ряду важных требований теории относительности. Бесконечная вселенная в этом случае была бы возможна лишь при условии равенства нулю средней плотности материи во вселенной, что неприемлемо. Если же исходить из признания конечной плотности материи во вселенной, то необходимо допустить реальность искривления пространства, обусловленного наличием материи. Весь вопрос заключается в том, является ли эта кривизна положительной или отрицательной. Эйнштейн при формулировке уравнений тяготения сделал предположение о том, что материя распределена во вселенной равномерно со средней плотностью около 4·10^-28 г/см³. Тогда из уравнений тяготения вытекало, что пространство обладает положительной кривизной и является замкнутым, хотя и безграничным по протяжению. Если квант света будет излучен в каком-либо направлении, то, распространяясь все время в замкнутом пространстве, он нигде не натолкнется на его границу. В то же время, пройдя очень большое, хотя и конечное расстояние, он может вернуться примерно в ту область, совершив «кругосветное путешествие». В этом отношении структура риманова пространства положительной кривизны подобна форме поверхности Земли, которая безгранична, поскольку нигде нет ее конца, но тем не менее конечна.

Вывод о положительной кривизне и замкнутости пространства не был обоснован Эйнштейном на базе неоспоримых научных данных. Он был получен на основе произвольно принятой посылки о равномерности распределения материи во вселенной, введенной для упрощения следствий теории в качестве одного из возможных вариантов решения уравнений. Однако затем этот вывод был представлен, как якобы уже доказанное положение, которое будто бы неизбежно следует из теоретических принципов. На основе этого в литературе получили широкое распространение различные идеалистические измышления о конечности мира и возможности нахождения за его пределами сверхъестественных сил и существ. Некоторые ученые начали усердно подсчитывать общее количество атомов во вселенной, которое «оказалось» порядка 10⁷⁷ — 10⁸⁰, а также «радиус вселенной», который, по мнению Эддингтона, равен 6-10²⁹см, то есть довольно близок к тому расстоянию, которое уже доступно современным инструментам. Следовательно, наука приближается к границам вселенной!

Трудно сказать, верили ли всерьез авторы этих теорий в то, что за вычисленными ими пределами не существует более никаких миров и никакого пространства. Но с научной точки зрения подобные выводы являются совершенно необоснованной экстраполяцией на всю вселенную тех положений, которые были получены для ограниченной области мира. При этом даже и для ограниченной области некоторые из этих положений неприменимы, ибо имеются данные в пользу того, что пространство Метагалактики обладает в общем не положительной, а отрицательной кривизной, то есть является незамкнутым (см. об этом ниже).

Метафизически мыслящие ученые отождествляют доступную нам область мира со всей вселенной, а период возможного возникновения наблюдаемых миров — с возрастом мира в целом. Провозглашая конечность вселенной и ее творение, они даже не задумываются над тем, что могут существовать другие области мира, с которыми взаимодействует окружающая нас совокупность галактических систем, что материя, составляющая галактики, имела предшествующее бесконечное существование и неуничтожима. Все эти реакционные измышления лишь способствуют укреплению позиций фидеизма в науке и должны быть решительно отвергнуты при создании подлинно научной картины мира.

Однако из этого не следует делать вывод о том, что все зарубежные космологические теории должны быть целиком отброшены, что релятивистская космология, развивавшаяся многими авторами, — это лженаучная теория, как это утверждалось в некоторых статьях. В релятивистской космологии имеется много рациональных моментов и глубоких положений, которые должны быть использованы и развиты дальше. Ниже мы подробнее остановимся на этих положениях, сейчас же отметим, что даже сама идея о положительной кривизне пространства заслуживает внимания, ибо не исключена возможность, что в бесконечной вселенной существуют области с такой плотностью вещества, которой соответствует положительная кривизна пространства. В этих областях одни и те же яркие объекты или скопления звезд могли бы быть видимы дважды. Так, в окружающей нас области мира 5-метровый паломарский рефлектор в настоящее время обнаруживает около 400 миллионов галактик. Если допустить, что наше пространство обладает положительной кривизной, то не исключена возможность того, что некоторые из галактик мы видим дважды — в данном направлении и прямо противоположном. В данном направлении свет мог идти несколько миллионов лет, а в противоположном — сотни миллионов или даже миллиарды лет, пока не совершил «кругосветное путешествие». Отождествить данные галактики чисто оптическим путем, по-видимому, невозможно, и не только потому, что изображение на обеих фотопластинках представляло бы различные стороны одной и той же системы, но и потому, что оба изображения разделяли бы сотни миллионов лет, которые потребовались одному из световых лучей для совершения своего длинного пути. К нашей области мира эта идея, очевидно, неприменима, но не исключена возможность существования таких областей пространства, где ввиду положительной кривизны подобные эффекты в принципе могли бы наблюдаться. Очевидно, связь таких областей с другими областями должна осуществляться иными способами, чем это известно современной теории.

Обратимся теперь к другим космологическим концепциям, которые были выдвинуты в последние десятилетия.

4. Расширение Метагалактики

В теории Эйнштейна предполагалось, что размеры вселенной определяются количеством материи, которое в ней содержится. При этом плотность материи, а соответственно и метрические свойства пространства не изменяются с течением времени. Несмотря на изменение отдельных своих составных частей, мир в целом неизменен. В отличие от этой концепции статичной вселенной советский ученый А. А. Фридман выдвинул в 1922 г. теорию, согласно которой вселенная изменяется с течением времени. В ходе времени изменяются метрические свойства пространства, а вместе с ними — и расстояние между любыми двумя точками. Пространство вселенной как бы постоянно расширяется.

Гипотеза Фридмана об изменении метрики пространства со временем позволила естественным образом вывести из уравнений тяготения Эйнштейна среднюю конечною плотность материи во вселенной, тогда как раньше конечное значение плотности получалось путем введения в уравнения гравитационного поля специального «космологического члена», усложнявшего теорию. Согласно Фридману, вселенная с конечной плотностью материи не может быть статичной, она обязательно должна расширяться с течением времени.

Вскоре после появления работы Фридмана американские астрономы Слайфер и Хаббл открыли, что спектральные линии внегалактических туманностей смещены в красную сторону, причем это смещение тем больше, чем дальше находится туманность. «Красное смещение» было истолковано как эффект Допплера вследствие удаления от нас туманностей. Как известно, скорость света не зависит от скорости источника излучения, но от нее зависит воспринимаемая длина волны света. Если источник движется по направлению к наблюдателю, то последний воспринимает свет большей частоты (то есть смещенный к фиолетовому концу спектра), если же источник движется от наблюдателя, то частота воспринимаемого света будет меньшей и произойдет смещение спектральных линий к красному концу. Это явление имеет известный аналог в акустике. Когда навстречу пассажиру движется поезд, то подаваемый им звуковой сигнал имеет высокую частоту, которая резко понижается, как только поезд проходит мимо. В случае световых волн смещение к красному концу тем больше, чем выше скорость удаляющегося источника излучения.

Принцип Допплера позволяет определять скорости звезд и галактик по лучу зрения. Наблюдения показали, что скорость удаления галактик возрастает пропорционально их расстоянию (закон Хаббла). На каждый миллион световых лет скорость увеличивается на 172 километра в секунду. В настоящее время обнаружены галактики, удаляющиеся со скоростью 120000 км/сек, и есть основания полагать, что скорость возрастает и дальше. Оценивая ориентировочно радиус Метагалактики по крайней мере в 3 миллиарда световых лет, мы получили бы на ее границе скорость удаления около 170000 км/ сек. Однако вряд ли зависимость между расстоянием и скоростью будет всегда пропорциональной. Согласно теории относительности, никакое тело не может двигаться со скоростью, большей скорости света. Поэтому с дальнейшим увеличением расстояния возрастание скоростей должно происходить медленнее, если только закон Хаббла справедлив для таких больших областей вселенной.

Взаимное удаление галактик нельзя рассматривать только по отношению к Земле, видя в концепции расширения нашей области мира возвращение к геоцентрической системе мира. Это расширение имело бы точно такой же вид с любой из окружающих нас галактик. Подобно тому, как щепки, брошенные в реку, все более расходятся вниз по течению, так и гигантские звездные системы все более удаляются друг от друга в потоке времени. Благодаря расширению Метагалактики даже при положительной кривизне пространства возврат светового луча в исходную область был бы невозможен. Пока электромагнитная волна смогла бы пройти половину сферы всей Метагалактики, размеры последней увеличились бы в два-три раза, так что конечная цель «кругового» движения волны оказалась бы гораздо дальше, чем она была вначале, в момент излечения света.

Открытие «красного смещения» и истолкование его как эффекта Допплера привело к коренному изменению представлений об известной нам части вселенной. Но на волне новых научных открытий всплыла мутная пена идеализма и религиозного мракобесия. Вывод о расширении окружающей нас области мира послужил основой для возникновения различных идеалистических теорий творения вселенной. Если расстояния до любых галактик сопоставить радиальными скоростями удаления, а затем вычислить то время, которое могло понадобиться им для прохождения данного пути, то получится примерно 2 миллиарда лет, а по новейшим данным, даже 5 миллиардов лет. Эта цифра близка к предполагаемому возрасту Земли, определяемому на основе радиоактивного распада урана, тория и изотопов калия. Сходная величина получается также при определении возраста метеоритов. Совпадение этих цифр привело многих мистически настроенных ученых к мысли о том, что примерно 5 миллиардов лет назад имело место творение вселенной с последующим ее расширением. Бельгийский аббат Леметр выступил с теорией возникновения вселенной из гигантского «атома-отца», взорвавшегося по воле всевышнего. Эта теория нашла многочисленные подражания. По мнению Е.Т.Уиттекера, «логичнее всего постулировать создание мира «из ничего» актом божественной воли»^[33]. Папа Пий XII в речи перед ватиканской Академией в 1951 г. модернизировал библейскую легенду о сотворении мира, отнеся срок творения не к семи с половиной тысячам лет назад, а к нескольким миллиардам лет.

Наряду с теорией единовременного творения вселенной в некоторых буржуазных работах в настоящее время усиленно пропагандируется теория постепенного и непрерывного творения материи. Ее представителями являются П.Йордан, Ф.Хойль, Р.Капп, Ж.Уитроу, Г.Бонди, Т.Голд, В.Мак-Кри и некоторые другие. Эта теория отрицает принцип несотворимости и неуничтожимости материи и движения и провозглашает возможность возникновения их «из ничего», а также полного уничтожения. На чем основывают свои домыслы авторы этой теории? Они исходят из так называемого «совершенного космологического принципа», который был выдвинут Бонди и Голдом. Этот «принцип» утверждает, что любая часть вселенной должна быть одинаковой с любой другой, причем абсолютная однородность вселенной сохраняется вечно, в течение всего времени ее существования, так что в мире как целом не происходит никаких изменений. Авторы этого метафизического принципа ничем не доказывают его, они просто постулируют его, подобно тому как богословы постулировали принцип совершенства круговых орбит и невозмутимости небесных сфер. Затем они указывают на расширение галактического пространства и, распространяя это расширение на весь мир в целом, утверждают, что в результате разбегания галактик плотность материи должна непрерывно уменьшаться, стремясь к нулю. Но такое уменьшение плотности означает изменение состояния вселенной, что противоречит «совершенному космологическому принципу». Следовательно, убыль вещества за счет расширения должна компенсироваться его возникновением в данных областях, с тем, чтобы плотность материи оставалась постоянной. Откуда же появляется материя? «Она,— отвечает Хойль,— не появляется ниоткуда. Материя просто возникает — она создается. В одно время различные, атомы, составляющие вещество, не существуют, а в более позднее время они существуют»^[34].

«Следует ясно понять,— утверждает Бонди, — что творение, о котором идет речь, является образованием материи не из излучения, а из ничего»^[35]. При этом творение, по словам Мак-Кри, не может иметь никакого причинного объяснения.

Для того, чтобы скомпенсировать эффект расширения, в 1 см³ пространства должно возникать в среднем 10^-43 г вещества в секунду, или один водородный атом на литр объема каждый миллиард лет. Возникший водород концентрируется в звезды и туманности, так что, несмотря на расширение вселенной, число галактик в поле зрения остается одним и тем же. Но эти галактики не будут существовать для нас всегда. На некотором расстоянии их скорость становится равной скорости света, и тогда они исчезают за горизонтом видимости, так как свет от них уже не сможет дойти до нас.

Хойль утверждает, что во вселенной происходит необратимое превращение водорода в более сложные элементы, а обратного превращения не наблюдается. Значит, водород не может быть бесконечно старым, он должен был возникнуть определенное время назад. Возможность возникновения водорода в результате первоначального взрыва Хойль отвергает, так как, по его мнению, после взрыва материя не смогла бы сконцентрироваться в звезды и галактики. Выход из возникающей трудности он видит в том, что «водород постоянно создавался в течение всего бесконечного времени и создается таким же образом и теперь»^[36]. «Для полного отказа от сохранения энергии и материи в космосе мы должны принять в расчет расширение вселенной»^[37].

Эта гипотеза, знаменующая собой глубочайшую деградацию идеалистических теорий вселенной, не только никак не обоснована научно, по и противоречит элементарной логике. Во-первых, без всяких доказательств она отвергает важнейший принцип науки — закон сохранения материи и движения,— подтверждаемый всеми данными теории и практики. Тем самым она протаскивает откровенно религиозный взгляд на мир, ибо без помощи сверхъестественных сил сотворение материи «из ничего» никак нельзя объяснить. Довод о необходимости творения водорода ввиду необратимости его перехода в более сложные элементы совершенно несостоятелен, ибо мы еще не знаем всех возможных материальных процессов в эволюции мира, которые несомненно создают водород из других форм материи, и наше незнание еще не означает, что таких процессов вообще не существует. Ниже будет указан один из подобных возможных процессов.

Во-вторых, идея расширения всей бесконечной вселенной внутренне противоречива, ибо она оставляет открытым вопрос о том, куда же собственно вселенная расширяется, поскольку заранее принято, что ничего, кроме вселенной, не существует. Сторонники рассматриваемой теории неявно предполагают, что расширение вселенной происходит в безграничную пустоту, которая не содержит никакой материи, вследствие чего должно происходить уменьшение плотности материи в наблюдаемой части мира, а соответственно и творение материи. Но допущение такой абсолютной пустоты также совершенно несостоятельно. Как бесспорно следует из важнейших принципов теории относительности и диалектического материализма, пространство и время являются формами бытия материи и без материи не имеют самостоятельного существования. Следовательно, если бы где-либо не было материи, то «там» не было бы и пространства — времени, а, значит, невозможно было бы и никакое расширение вселенной, поскольку расширение предполагает наличие внешнего пространства. Если же мы допускаем реальность такого пространства, то мы должны также признать существование различных видов материи в нем, а тем самым становится очевидной неверность выводов о неуклонном уменьшении плотности материи во вселенной, а вместе с ними — и ненужность всей концепции творения материи.

Наконец, пресловутый «совершенный космологический принцип», лежащий в основе всех этих умозрительных построений, не имеет под собой каких-либо опытных или логических оснований. Ниоткуда не вытекает, что вселенная совершенно однородна и тождественна во всех своих частях и вовсе времена. Наоборот, есть основания считать, что она непрерывно изменяется и что ее различные области качественно различаются между собой по своей структуре и закономерностям движения.

Распространение в зарубежной литературе различных идеалистических теорий расширяющейся вселенной вызвало резкую критику этих теорий со стороны ученых-материалистов. Идея о расширении вселенной совершенно справедливо расценивалась как антинаучная, способствующая укреплению фидеизма. Вместе с тем некоторые ученые в пылу полемики заявляли, что идею расширения нельзя считать верной не только по отношению к вселенной в целом, но даже по отношению к наблюдаемой нами ограниченной области вселенной. По их мнению, удаление галактик — это только кажущийся эффект. В действительности же «красное смещение» обусловлено не удалением, а определенными изменениями свойств света во время длительного движения его в мировом пространстве. Именно, при движении в течение многих миллионов лет энергия и частота колебаний квантов уменьшаются в результате взаимодействия квантов с гравитационными полями и межгалактической диффузной материей. Это специфическое «старение» квантов и обусловливает смещение спектральных линий к красному концу.

Сама по себе гипотеза изменения свойств света при его длительном движении в гравитационных полях в настоящее время не может быть опровергнута, ибо нет в природе явлений, которые были бы абсолютно неизменны. Но для нее не существует и каких-либо подтверждений, поскольку не известно никаких аналогичных процессов. Наоборот, против нее имеется ряд возражений. Первое из них заключается в том, что если бы при движении квантов изменялась частота их колебаний, то имело бы место «размазывание» фотографических изображений галактик, чего в действительности не наблюдается. Второе возражение заключается в том, что в рамках данной гипотезы не удается объяснить, почему величина относительного красного смещения частоты не зависит от начальной частоты квантов. Дело в том, что красное смещение свойственно не только излучению в видимой области спектра, но также и другим электромагнитным волнам. Последние данные радиоастрономии показывают его реальность также для радиоволн, в точном соответствии с законом Хаббла.

Все эти данные говорят в пользу того, что наша область вселенной, по-видимому, находится в состоянии расширения — безотносительно к тому, каковы его причины.

В самой идее локального расширения вселенной нет ничего сверхъестественного. Нас могут смущать лишь огромные скорости расширения, доходящие, по измерениям, до десятков тысяч километров в секунду. Но эти скорости являются огромными лишь с точки зрения земных масштабов, а не космических, в рамках которых они даже сравнительно невелики. Действительно, если бы наша Галактика двигалась со скоростью 66 000 км/сек, то расстояние, равное своему диаметру, она смогла бы пройти лишь за полмиллиона лет, между тем как Земля проходит расстояние, равное своему диаметру, за 7 минут. Таким образом, правильнее было бы сказать, что галактики разлетаются с точки зрения космических масштабов очень медленно.

Было бы, разумеется, упрощением считать, что это расширение простирается на сколь угодно далекую область. Очевидно, современные наблюдательные средства приблизились к той области, за которой нарушается пропорциональность скорости удаления расстоянию. Также, по-видимому, нельзя категорически утверждать, что расширение всюду совершенно однородно. Коэффициент возрастания скорости — 172 км/сек на каждый миллион световых лет — является статистически средним для наблюдаемых галактик. Нет также никаких оснований говорить, как это делает Хойль, что на некотором расстоянии галактики «исчезают за горизонтом видимости» и о них мы никогда ничего не можем узнать. Если бы даже скорости удаления были близки к скорости света, все равно электромагнитное излучение смогло бы дойти до нашей области пространства. Согласно важнейшему принципу теории относительности, скорость любого тела не может быть больше скорости света, а последняя не зависит от скорости излучающего источника. Что же касается смещения в область невидимой части спектра, то она действительно имела бы место, но это не исключало бы возможность ее измерения методами физики инфракрасных лучей или радиоастрономии.

Далее, имеются некоторые факты, которые косвенно говорят в пользу идеи расширения Метагалактики. Возраст Земли и метеоритов, определяемый методом радиоактивного распада, близок к 5 миллиардам лет, и возможно, что большая часть этих элементов не могла образоваться значительно позднее этого срока. По-видимому, имеется какая то генетическая связь между эволюцией вещества внутри галактик и их разбеганием. Наконец, большое количество двойных звезд, которые не могли быть захвачены случайно при существующем распределении вещества, говорит о том, что когда-то вещество окружающей области вселенной находилось в более плотном состоянии.

Иногда против идеи расширения Метагалактики приводят то возражение, что, по некоторым определениям, отдельные звездные скопления имеют возраст 10¹²—10¹⁴ лет, что намного больше предполагаемого возраста Метагалактики, связанного с началом ее расширения. Однако это возражение нельзя считать убедительным, поскольку теория эволюции звезд, как замечал еще Эйнштейн, «основывается на менее прочном фундаменте, чем уравнения поля»^[38], из которых следует вывод о расширении.

Если мы примем, что расширение Метагалактики действительно имеет место и началось 5—7 миллиардов лет назад, то из этого логически следует, что расширению должно было предшествовать состояние сжатия вещества, которое в пограничных областях выглядело, как расширение. Возможно также, что наблюдаемое сейчас расширение вызывает сжатие в соседних с Метагалактикой областях, где можно было бы зарегистрировать синее или фиолетовое смещение спектральных линий галактик.

В литературе неоднократно высказывались гипотезы о возможных причинах расширения Метагалактики. Сжатие в прошлом должно было со временем привести к огромным температурам порядка 10¹⁰—10¹² градусов и давлениям в миллиарды атмосфер, в результате чего возникла интенсивная термоядерная реакция в большом объеме. Это привело к гигантскому взрыву, и те слои вещества, которые находились во внешней сфере, получили и соответственно большее ускорение. Затем разлетающееся вещество сконденсировалось в звезды и галактики.

Сейчас еще нет достаточных оснований для того, чтобы определенно сказать, происходил ли в действительности подобный процесс, но вряд ли можно возражать против того, что противоположные процессы концентрации и рассеяния материи, сжатия и расширения являются общей закономерностью развития во вселенной. Возможно, что и наблюдаемое расширение Метагалактики явилось результатом предшествующего сжатия космических систем безотносительно к тому, каковы его причины. Вселенная существует как единство противоположностей, взаимодействие и переход которых друг в друга составляют сущность ее вечного изменения. Поэтому имеется нечто притягательное в гипотезе о том, что в различных областях бесконечной вселенной через определенные промежутки времени, огромные по земным масштабам, происходит колоссальная концентрация материи и энергии, в результате которой природа, подобно сказочному фениксу, каждый раз вновь возрождается из своего пепла.

Легко понять, что концепция динамической вселенной исключает представление о замкнутости и пространственной ограниченности мира. Нельзя также говорить о положительной кривизне всего окружающего пространства. Из уравнений тяготения следует, что для того, чтобы пространство в масштабе космоса обладало положительной кривизной, средняя плотность материи в нем должна быть больше, чем 6·10^-28 г/см³. Если плотность будет меньше, то кривизна пространства будет отрицательной. До недавнего времени полагали, что средняя плотность вещества в Метагалактике близка к 6·10^-28г/см³. Однако более точное определение расстояний до галактик показало, что они в среднем отстоят в два раза дальше, чем принималось ранее. С учетом новых данных о размерах видимой области и массы всех имеющихся в ней галактик средняя плотность вещества получается равной примерно 4·10^-29 г/см³, что приводит к пространству отрицательной кривизны^[39]. Пространство отрицательной кривизны будет истинно бесконечным, без каких-либо ограничений. Метрические свойства такого пространства в общем виде были предсказаны еще в теориях Лобачевского и Фридмана.

Следует, однако, подчеркнуть, что выводы из теорий Фридмана и Лобачевского неправильно было бы экстраполировать на всю бесконечную вселенную, ибо эти теории, как и всякие другие, имеют ограниченную область применимости. Несомненно, что с переходом ко все более обширным областям пространства современные теории должны уступить место более общим концепциям, подобно тому как теория относительности оказалась более общей, чем ньютоновская теория, и заменила ее в объяснении соответствующих процессов.

Границы применимости ньютоновской теории тяготения к объяснению вселенной можно связать с так называемым гравитационным радиусом системы. Гравитационный радиус представляет собой меру массы покоя системы, выраженную в единицах длины:

где G — постоянная тяготения,
М — масса тела,
с — скорость света

Для тел, масса которых сравнительно невелика в космических масштабах, гравитационный радиус во много раз меньше обычного геометрического радиуса. Так, для Земли он равен всего лишь 5 мм, для Солнца — 1,5 км, для Галактики — 0,015 светового года. Однако по мере возрастания массы системы, ее гравитационный радиус становится сравнимым с геометрическим.

В тех областях, где гравитационный радиус сравним с геометрическим, законы ньютоновской механики становятся уже неприменимы. При дальнейшем увеличении расстояний и масс систем, по-видимому, должна выявиться и ограниченность законов теории относительности.

Все это еще раз говорит о неисчерпаемости вселенной вопреки всем утверждениям о ее тождественности и однородности.

Рассмотренные положения представляют основу для устранения упоминавшегося выше гравитационного парадокса. Гравитационный парадокс возникает в предположении, что ньютоновская теория тяготения применима ко всей вселенной и для сколь угодно больших расстояний. Однако это нельзя считать правильным, так как, начиная с некоторых расстояний, вступают в силу качественно иные закономерности, которые исключают бесконечные значения гравитационных потенциалов.

 

---