Читать книгу "Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер"

В течение многих веков религиозные мифы позволяли верующим подниматься над своим «мирским состоянием», то есть осознанием того, что каждый человек живет во времени и имеет свою историю, которая неизбежно движется к концу. На более практическом уровне мифические объяснения природных явлений представляли собой донаучные попытки понять то, что находилось вне человеческого контроля, и ответить на вопросы, которые казались вечными. Почему Солнце каждый день движется по небу? Греки считали, что это Аполлон провозит его в своей огненной колеснице. Племя навахо, проживавшее на юго-востоке Америки, верило, что существо по имени Джохонааэи (оригинал: Johonaa’ei) каждый день переносит светило через небо на своей спине. У египтян эта роль отводилась Ра, который вез Солнце с востока на запад на лодке. В строго натуралистическом смысле мотивы, что прячутся за этими мифами, не так уж далеки от научных, – выявить скрытые механизмы, стоящие за природными явлениями. В конце концов, Солнце движется по небу вне зависимости от того, считаем мы ответственными за это богов или физические явления.

По сути, и ученые, и адепты религий верят в существование необъяснимых причинно-следственных связей, то есть в вещи, происходящие по неизвестным причинам, пускай характер таких причин и различается. В науке эта вера оказывается особенно очевидной, когда теоретики пытаются экстраполировать гипотезу или модель за пределы, установленные на практике (например, заявляют, что законы гравитации одинаковы во всей Вселенной или что теория эволюции путем естественного отбора применима ко всем формам жизни, включая инопланетные). Такие экстраполяции имеют огромное значение для изучения неизведанных территорий. Ученые же чувствуют себя удовлетворенными, так как их теории позволяют описать значительную часть реальности. Немного погрешив против истины, мы можем сказать, что в данном случае вера ученых имеет эмпирическое подтверждение.[9]

К примеру, ньютоновскую теорию всемирного тяготения, описанную в книге III его революционного труда «Математические начала натуральной философии», следовало бы назвать теорией тяготения Солнечной системы, так как за ее пределами никакие испытания еще не были возможны к концу XVII века. Тем не менее Ньютон назвал третью книгу «Начал» «О системе мира», предположив, что его описание гравитационного притяжения как силы, пропорциональной массе двух тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, применимо ко всей Вселенной. Это подтверждается его собственными словами из книги III:

Наконец, как опытами, так и астрономическими наблюдениями устанавливается, что все тела по соседству с Землей тяготеют к Земле, и притом пропорционально количеству материи каждого из них; так, Луна тяготеет к Земле пропорционально своей массе, и взаимно наши моря тяготеют к Луне; подобно этому и тяготение комет к Солнцу. На основании этого правила надо утверждать, что все тела тяготеют друг к другу.[10]

Ньютон проявляет хитрость и не говорит о причинах возникновения гравитации («я не изобретаю гипотез»), но предполагает, что они воздействуют на все тела, имеющие массу. «Для нас достаточно того, что притяжение существует, действует в соответствии с законами, которые были нами объяснены, и отвечает за все движения небесных тел и наших морей», – пишет Ньютон в «Общем поучении», своего рода заключении к «Началам». Он не понимал, почему объекты, обладающие массой, притягиваются друг к другу, но знал, как именно они это делают. «Математические начала натуральной философии» отвечали на вопрос «Как?», а не «Почему?».

Позднее, 10 декабря 1692 года, в письме к теологу из Кембриджа Ричарду Бентли Ньютон использовал свои рассуждения о природе силы притяжения, чтобы подкрепить свою идею о бесконечности Вселенной. Эта мысль стала поворотной точкой для всей космологии. Бентли задавался вопросом: если гравитация подчиняется одним и тем же законам во всей (конечной) Вселенной, почему же вся материя в итоге не окажется сжатой в комок в ее центре. Ньютон соглашался, что все было бы именно так, если бы Вселенная имела границы. Однако, писал он, «если бы материя была равномерно распределена по бесконечному пространству, она бы никогда не слилась в единую массу. Часть ее образовала бы одну массу, часть – другую, и в итоге бесконечное количество масс оказалось бы расположено на огромных расстояниях друг от друга в пространстве, не имеющем конца». Ньютон настолько верил в универсальную природу гравитации, что мог с уверенностью рассуждать о бесконечности всего космоса.

Через несколько веков после него Эйнштейн сделал примерно то же самое. Он окончательно сформулировал свою общую теорию относительности в 1915 году. Для этого ему пришлось пойти на шаг дальше Ньютона и объяснить гравитацию искривлением пространства рядом с массивным объектом (на самом деле время тоже искривляется, но об этом мы поговорим позже). Чем больше масса объекта, тем больше пространства искривляется вокруг него, как батут по-разному прогибается под людьми с разным весом. Для объяснения того, как притягиваются друг к другу массивные объекты, больше не требовалось выдумывать загадочных сил, действующих на расстоянии. В искривленном пространстве траектории не могут быть прямыми. Разумеется, Эйнштейн не объяснял, почему масса оказывает такое воздействие на геометрию пространства. Я подозреваю, что, если бы его спросили об этом, он ответил бы, как Ньютон: «Я не изобретаю гипотез». Его теория прекрасно работала, объясняя те вещи, которые ставили в тупик ньютоновскую физику. И эффективность данной теории подтверждалась наблюдениями за динамикой объектов в Солнечной системе. Этого было достаточно.

В 1917 году, меньше чем через два года после публикации своей теории, Эйнштейн написал любопытную работу «Вопросы космологии и общая теория относительности». Как и Ньютон, Эйнштейн экстраполировал свою теорию за пределы Солнечной системы, в которой она подтверждалась экспериментально, – на всю Вселенную. В данной работе Эйнштейн рассуждает о форме космоса и, как истинный платоник, придает ему самую совершенную форму – форму шара. Для удобства, а также в связи с отсутствием наблюдений, подтверждающих противоположную точку зрения, он также делает Вселенную статичной. Его уравнения дают ему желаемый результат, но при этом преподносят небольшой сюрприз. Эйнштейн отказывается признавать Вселенную бесконечной и, чтобы избежать коллапса всей материи в одной центральной точке (о котором Бентли писал Ньютону), вводит так называемую универсальную постоянную. Это новый элемент его уравнений, описывающих искривление пространства. Эйнштейн обращает внимание, что при достаточно небольшом значении такая постоянная будет совместима «с эмпирическими фактами, полученными на основании наблюдений за Солнечной системой». Эта константа, которая, по словам Эйнштейна, «не основывалась на наших фактических знаниях о гравитации», сегодня называется космологической постоянной и, вполне возможно, действительно играет ключевую роль в динамике космоса, пускай и не такую, которую приписывал ей Эйнштейн. Эйнштейну нужно было убедиться, что его статистическая шарообразная Вселенная не сколлапсирует. Демонстрируя полную уверенность в своей теории, он не только экстраполировал свои расчеты с Солнечной системы на всю Вселенную, но и учел в своем описании космоса результаты непонятных ему колебаний, удерживавших небесный свод на своем месте.