Коллектив авторов - Современная космология: философские горизонты

• Название: Современная космология: философские горизонты
• Автор: Коллектив авторов
• Издательство: Издательство «Канон+»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-88373-257-7

Книга представляет собой исследование некоторых философских и эпистемологических проблем космологии. Проанализированы философские позиции классиков космологии XX века (А.А. Фридмана и др.), а также ряда выдающихся современных космологов. Космология вовсе не является одной из «иронических наук», какой ее иногда изображают. Физическая реальность в космологии проявляется как выраженная в языке науки фиксация результатов взаимодействия наблюдателя с исследуемым объектом (осуществляемым через средства и условия познания). Смысл этого понятия в контексте данного типа научной рациональности раскрывается истинной теорией. Показано, что космология, по сути, переходит от традиционных методов исследования к нетрадиционным, т. е. совершаются изменения в ее основаниях, навязываемые новыми типами исследуемых объектов. Отмечена необходимость коренного изменения смыслов традиционных понятий в космологии, таких как пространство, время, бесконечность. Проанализированы условия и границы их применимости в рамках новых космологических теорий. Особое внимание уделено новым фундаментальным понятиям, появившимся в космологии за последние годы: Мультиверс (Метавселенная), космологический вакуум, темная материя, темная энергия, ускоренное расширение Вселенной и др. По некоторым проблемам, находящимся на переднем крае современной космологии, ведется дискуссия между авторами книги. Сделана попытка показать эвристическую роль философии в осмыслении указанных проблем.

Книга рассчитана на философов, космологов и всех, интересующихся философскими проблемами современной науки.

---

Но была ли тем самым верифицирована теория Гамова и фальсифицирована теория стационарной Вселенной? Нет. Обе альтернативные теории были частично верифицированы и частично фальсифицированы, хотя и в разной степени. Основной целью, которую ставил себе Гамов, было объяснение происхождения всех химических элементов в процессе рождения (creation) Вселенной. Наиболее сильный аргумент в теории Гамова был ошибочным. Он исходил из заниженной оценки возраста Вселенной, связанной в свою очередь с ошибочным значением постоянной Н в законе красного смещения Хаббла. Получалось, что химические элементы не успевали «свариться» в звездах. Пересмотр шкалы возраста Вселенной выбил почву из-под этого аргумента. Но водород и гелий действительно имеют космологическое происхождение, и открытие реликтового излучения это подтвердило. Тем самым, теория горячей Вселенной, оказавшись неспособной решить проблему происхождения всех химических элементов, объяснила, как возникла основная часть барионного вещества Вселенной. Изюминка ситуации в том, что реликтовое излучение было непредсказанным следствием теории, основанной, в числе прочих, и на ошибочных предпосылках и оказавшейся в значительной части неверной по своему содержанию (генезис тяжелых элементов). В соответствии с наивным фальсификационизмом, такая теория должна быть отвергнута, но она оказалась — в серьезно скорректированном виде — одной из основополагающих в современной космологии, да и в науке в целом.

В структуре эмпирических знаний о реликтовом излучении Вселенной выделяются все три отмеченных уровня. Уровень непосредственно данного включает «статистические резюме измерений», доказывающих: 1) само наличие во Вселенной фонового излучения с температурой 2,73°К; 2) распределение его энергии в спектре, соответствующее закону Планка; 3) приблизительную однородность и изотропность фона излучения. Эти наблюдения оказались в определенной степени теоретически нагруженными — знаниями из области теории излучения. Наиболее существенно, однако, что лишь на последующих этапах они оказались связанными с использованием объясняющей теории.

Анизотропия реликтового излучения как наличие сравнительно мелких неоднородностей температуры (т. е. интенсивности этого излучения на небесной сфере) была теоретически предсказана еще в конце 60-х годов XX века на интерпретационном уровне. Она должна вызываться несколькими факторами: 1) эффектом Сакса-Вольфа, суть которого в том, что фотоны могут и приобретать, и терять энергию в гравитационном поле; 2) эффектом Силка — флуктуации плотности вещества должны сопровождаться флуктуациями числа фотонов; 3) эффектом Доплера — частота, т. е. энергия фотонов может меняться в зависимости от того, движутся ли они от нас или же к нам. Общей причиной всех этих эффектов, как считали теоретики, служат возмущения метрики в ранней Вселенной вблизи эпохи инфляции, так что наличие анизотропии реликтового излучения часто рассматривают как предсказание инфляционной космологии. Анизотропия реликтового излучения — источник ценнейших сведений о ранней Вселенной.

Ускоренное расширение Вселенной явилось открытием, не только совершенно неожиданным для космологов, но и прямо противоречившим их ожиданиям. Считалось вероятным, что в ходе эволюции нашей Вселенной, т. е. Метагалактики, скорость ее расширения должна уменьшаться под влиянием гравитации. Собственно говоря, эксперименты и были поставлены для того, чтобы определить величину скорости замедления. Но природа преподнесла исследователям очередной сюрприз. Оказалось, что на самом деле Вселенная расширяется с ускорением, которое началось около 6–8 млрд. лет назад (до этого Вселенная расширялась с замедлением). Это открытие было даже названо «шоковым».

Измерения велись по вспышкам Сверхновых типа 1а в далеких галактиках с помощью космического телескопа Хаббла. По форме кривой блеска такой звезды можно измерить ее светимость в максимуме, т. е. полное количество излучаемой энергии, отнесенное к стандартному расстоянию. Сравнение с наблюдаемой яркостью звезды позволяет вычислить ее расстояние (с точностью до 15 %). Далее по спектру Сверхновой измеряют ее красное смещение и, следовательно, скорость удаления галактики, в состав которой она входит. На основании этих данных можно выявить корреляции «видимая яркость — расстояние до галактики». В 1998–1999 году две группы исследователей — одна возглявлялась Б. Шмидтом и А. Рисом[61], другая — С. Перлмутером[62], сообщили, что наша Вселенная расширяется ускоренно. Наблюдения показали, что убывание яркости Сверхновых происходит, в среднем, быстрее, чем предсказывала стандартная модель. Очень далекие Сверхновые оказываются более яркими. Отсюда следует, что скорость галактики, в состав которой входят исследовавшиеся Сверхновые, со временем возрастает.

Ускоренное расширение Вселенной сравнивают с эпохой новой инфляции. Подсчитано, что удаленные галактики будут постепенно исчезать за горизонтом видимости, как бы уничтожая наблюдательные свидетельства Большого взрыва. Спустя 135 млрд. лет воображаемый наблюдатель на Земле увидит только ближайшие галактики, но затем уйдут и они. В сфере видимости останется только наша собственная Галактика, звезды в которой начнут потухать и рассеиваться в пространстве.

При анализе структуры рассматриваемого факта обнаружение нелинейной зависимости видимой яркости Сверхновых 1а от их расстояний (определенной, заметим, по статистической обработке сравнительно небольшого числа звезд) следует относить к уровню непосредственно данного. Далее должен следовать интерпретационный уровень, который включает несколько ступеней. Вывод об ускоренном расширении Вселенной — это первая ступень интерпретации. По вопросу о том, является ли такая интерпретация единственно возможной, идут споры, выдвигаются и другие интерпретации. Но большинство теоретиков-космологов убеждено, что объяснить наблюдаемую корреляцию можно только механизмом ускоренного расширения. Ее теоретическая нагруженность определяется сравнением со стандартной космологической моделью и выявлением отклонений от нее. Этот уровень структуры эмпирического знания и следовало бы считать конституирующим важнейший для космологии факт. Многие космологи именно так и поступают. Но есть немало теоретиков, которые идут дальше, включая те же фактуальные знания также в интерпретацию причин расширения Вселенной как следующий подуровень интерпретации. Обычно говорят об открытии всемирного антитяготения.

А.Д. Чернин продолжил интерпретировать открытие ускорения Вселенной следующим образом: «В 1998–1999 гг. две группы астрономов-наблюдателей сообщили об открытии всемирного антитяготения». После открытия антитяготеющей среды, продолжает А.Д. Чернин, «для нее стали придумывать названия». Одно из них — темная энергия — получила распространение. Но сама эта среда может иметь разную физическую природу. Космологи говорят о моделях двух типов: Λ-член (вакуум) и квинтэссенция. Кроме того, предложены модели, основанные на так называемой фантомной энергии. А.Д. Чернин является сторонником модели космического вакуума, которую он также рассматривает как открытие, сделанное современной космологией. По словам А.Д. Чернина, «наблюдательные данные все более указывают на то, что антитяготеющая среда — это вакуум Эйнштейна-Глинера, описываемый космологической константой»[63].

Если факт ускоренного расширения Вселенной (его достоверность сейчас проверяется новыми, все более точными наблюдениями) мало зависит от какой-либо объясняющей теории, то с другими упомянутыми феноменами, которые рассматривают иногда как факты (темной энергией, вакуумом), дело обстоит иначе.

Во-первых, нельзя считать полностью доказанным фактом само существование темной энергии. Это — лишь следующая ступень интерпретации данных наблюдений, требующая дополнительного обоснования. Некоторые космологи выдвигают альтернативные модели, которые большинству кажутся маловероятными, но все же пока не исключены из рассмотрения. В противовес сценарию ускоренного расширения Вселенной был выдвинут альтернативный сценарий, в основе которого — отказ от принципа однородности. Считается, что расширение Вселенной все-таки происходит с замедлением, но темпы его различны в зависимости от области пространства. Возможно, окружающая нас область Вселенной содержит меньше вещества, чем необходимо, чтобы задержать расширение, и оно замедляется не такими темпами, как в других областях.

Во-вторых, если признается, что существование антитяготения представляет собой доказанный факт, то дальнейшая интерпретация этого факта все-таки неоднозначна. Существование космологического вакуума, являясь дальнейшей ступенью интерпретации все тех же данных о кинематических особенностях Сверхновых Iа, погружено в объясняющую теорию, которой выступает инфляционная космология. С точки зрения этой теории космологический вакуум — наиболее вероятный «кандидат» на роль среды, способной породить инфляцию в ранней Вселенной. Обычно предполагается, что вакуумное состояние соответствует одному или нескольким скалярным полям. Как показал Я.Б. Зельдович, вакуум эквивалентен материи, обладающей плотностью и отрицательным давлением. Флуктуации вакуума способны порождать «пузыри», раздувание которых приводит к возникновению целых вселенных. Плотность энергии вакуума составляет ρ = 7∙10-30г/см3, что выше плотности всех других форм вещества и энергии во Вселенной. Никаких прямых наблюдательных данных, подтверждающих существование космологического вакуума, нет. Он вводится на основе критерия когерентности знания, позволяющего свести воедино кое-что из известного о ранней Вселенной. Но все же существование этого типа вакуума едва ли стоит уже сейчас считать установленным фактом. Оно вполне может подтвердиться, но может и не подтвердиться. Об открытии космологического вакуума говорить пока рано (если не отступать от общепринятого смысла термина «открытие»). Эта интерпретация ускоренного расширения буквально «растворяется» в контексте объясняющей теории.