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.

---

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.

В-третьих, природа антитяготения пока не прояснена с необходимой достоверностью. Вот почему не следует, на мой взгляд, полностью сбрасывать со счетов и модели ускоренного расширения, альтернативные основанной на Λ-члене. Как отметили Д.С. Горбунов и В.А. Рубаков: «Отличная от нуля космологическая постоянная — далеко не единственная возможная причина ускоренного расширения Вселенной в современную эпоху. Природа темной энергии — одна из главных загадок современного естествознания»[64]. Довольно влиятельной альтернативой является особая, непривычная форма материи (энергии) — квинтэссенция[65]. Под ней понимают скалярное поле, способное создавать антитяготение, которое и вызывает ускоренное расширение Вселенной. Еще одна альтернатива — «фантомная энергия». Эмпирический выбор между этими альтернативами возможен, хотя и на основе косвенных данных. Необходимо измерить параметр Ω. (средняя плотность массы Вселенной, отнесенная к плотности критической). Если он окажется точно равным 1, будет подтверждаться гипотеза о Λ-члене, т. е. космологическом вакууме, если же он имеет другое значение — придется выбирать между гипотезами квинтэссенции и фантомной энергии. Измерения до сих пор приводят к значениям Ω, очень близким к 1.

Таким образом, эмпирически обоснованным фактом в космологии является ускоренное расширение Вселенной. Очень вероятно, можно сказать почти (но все же не до конца) эмпирически доказано существование темной энергии как наиболее вероятной интерпретации наблюдательных данных. Но ее природа пока не ясна. Был ли до начала расширения нашей Вселенной вакуум или какой-то другой тип поля, пока остается открытой проблемой или, если угодно, гипотезой, а не фактом в рассматриваемом смысле.

Итак, анализируя формирование фундаментальных фактов в космологии, к сожалению, никак не могу согласиться с высказыванием А.Д. Чернина, выражающим наиболее распространенный взгляд: «Замечательно, что три из четырех крупнейших наблюдательных открытий были предсказаны теоретиками. Расширение Вселенной предсказал Александр Александрович Фридман в 1922 г. Предсказание реликтового излучения — заслуга Георгия Антоновича Гамова (1940-50 гг.)… Существование же всемирного антитяготения предвидел А. Эйнштейн (1917 г.). Только темная материя явилась в космологии неожиданно».

3. Контекст подтверждения современных космологических теорий: факты и внеэмпирические критерии

Неклассическая космология остро нуждается в фактах, как истинах, хотя и относительных, но достоверных. Сейчас объем фактуальных эмпирических знаний быстро растет, но и альтернативные теоретические структуры к ним непрерывно адаптируются. Проблема выбора теории, особенно в космологии ранней Вселенной, сохраняет остроту. Эта сфера познания чаще других прибегает к разного рода внеэмпирическим критериям при обсуждении приемлемости теоретических выводов. Возник даже взятый из политики специальный термин «конкорданс» («сердечное согласие»), который означает меру согласия между космологами, дополняющего собственно эмпирические нормативы оценки знания. Феномен конкорданса как тип аргументации обнаруживает себя на разных стадиях современного космологического исследования.

Теории и факты: стандартный сценарий. Сам термин конкорданс для космологии новый, но стоящий за ним тип деятельности работает в ней давно. Вспомним, например, ситуацию 30-50-х годов. Постоянная Хаббла в законе красного смещения была величиной, определяемой на основе не прямых, а косвенных измерений — по цефеидам. Ее значение оказалось сначала завышенным почти в 10 раз. Возраст Вселенной (Метагалактики), определяемый как величина 1/Н, получался значительно меньшим, чем возраст Земли. Затем возникло аналогичное противоречие между возрастом Вселенной и наиболее старых звезд. Это вызвало у многих наблюдателей крайнее недоверие к теории расширяющейся Вселенной (идеологические споры вокруг нее вовсе не были главным камнем преткновения). Недоплеровские интерпретации красного смещения были еще очень влиятельными, лишь подтверждая сомнения в отношении теории. Но некоторая часть физиков-теоретиков поддерживала фридмановскую космологию, несмотря на ее очевидный конфликт с тем, что тогда считалось установленным фактом. Они исходили как раз из конкорданса, считая, вслед за Эйнштейном, что теория тяготения основывается на более глубоких основаниях, чем теория звездной эволюции, и противоречие будет устранено. В дискуссиях по поводу расширяющейся Вселенной иногда проскальзывал такой аргумент: кто «хорошо понимает» ситуацию, не сомневается, что верх одержит теория, а кто сомневается — тот «ничего не понимает». И ведь все так и случилось! Новые оценки постоянной Хаббла позволили устранить противоречие. Конкорданс между физиками-теоретиками себя оправдал.

Теория Фридмана в своем современном состоянии вполне адекватно описывает эволюцию Вселенной от первой секунды после Большого взрыва до настоящего времени, т. е. 13,7∙109 лет. В этих временных пределах теория подтверждается такими фактами, как закон Хаббла, реликтовое излучение, крупномасштабная однородность Метагалактики и некоторые другие. В контексте фридмановской модели надежно обоснована модифицированная теория горячей Вселенной. Согласно этой теории, Вселенная родилась из сингулярности в процессе Большого взрыва как сверхгорячий «огненный шар» с температурой до 1032 К. При этой температуре четыре известных физических взаимодействия были объединены в суперсилу. По мере расширения Вселенной происходило падение температуры, сопровождавшееся рядом фазовых переходов: расщеплением гравитации и электрослабого взаимодействий, затем расщеплением электрослабых сил на слабые и электромагнитные, формированием кварк-глюонной плазмы, конфайнментом кварков и первичным нуклеосинтезом, затем образованием атомов, которое сопровождалось появлением космического фонового излучения; его температура составляла 3000 К, а сейчас упала до 2,7 К.

По словам Я.Б. Зельдовича и И.Д. Новикова, «теория горячей Вселенной как теория огромного этапа эволюции Вселенной в настоящее время установлена окончательно. Решающим аргументом является существование и свойства РИ. Те уточнения, которые могут последовать (в силу того, что точность всех проделанных измерений не абсолютна), не изменят основного вывода о горячей Вселенной, а дадут информацию о деталях процессов, которые протекали в прошлом». В рамках теории горячей Вселенной остается еще много невыясненных вопросов, но «объяснять отклонения можно (и нужно) будет в рамках теории горячей Вселенной…»[66].

Одновременно с триумфом стандартного сценария (теории расширяющейся Вселенной) выяснилось, что в нем есть серьезные затруднения, носящие характер парадоксов. Их возникло больше десятка[67]. Наиболее впечатляющими были проблемы сингулярности, плоскостности пространства, крупномасштабной однородности и анизотропии Вселенной, горизонтов, барионной асимметрии, реликтовых монополей, единственности Вселенной. Эти затруднения (парадоксы) вызывали большую заботу среди космологов-теоретиков.

Факты и внеэмпирические аргументы в теориях сверхранней Вселенной. Наиболее длительную концептуальную историю имеет проблема сингулярности, поставленная еще Фридманом и Леметром. Кому-то ситуация может показаться не столь драматичной, но С. Хокинг думает иначе. По его словам, если законы физики нарушаются в сингулярности, они могут нарушаться и в любом другом месте. Хокинг говорил также, что многие космологи «питали отвращение к самой идее сингулярности, оскорбляющей красоту теории Эйнштейна»3. Впрочем, с математической теоремой трудно поспорить, добавлял он. Одним из «наиболее мучительных вопросов», стоящих перед космологией, назвал сингулярность А.Д. Линде. Вот почему не будет преувеличением сказать, что в течение многих десятилетий космологи вели с сингулярностью настоящую «войну». Были предприняты многочисленные попытки выяснить: существовала ли в эволюции нашей Вселенной некая реальная особенность, которой соответствует сингулярность в решениях космологических уравнений? Этот вопрос разбивается на три части: а) неизбежна ли сингулярность в теории А.А. Фридмана; б) можно ли ее устранить, перестроив космологические теории или их принципы; в) какая космологическая теория — с сингулярностью или без нее — лучше соответствует фактам. На языке эпистемологии проблема приобретает следующую форму: конструктивно ли введена сингулярность в уравнениях Фридмана? Процедура конструктивного обоснования абстрактных объектов теоретических схем, после того, как они введены в качестве гипотез, согласно B.C. Степину, состоит в их адаптации к реальной экспериментально-измерительной практике через посредство эмпирических схем. Необходима внутренняя согласованность всех определяющих признаков абстрактных объектов теоретической схемы. В этом контексте и были многократно поставлены вопросы о сингулярности.