#светглаздраконов #Amnuel И главное, товарищи, творчество Амнуэля, как любого светоча, избавляет от страха будущего, ну и от бессмысленности настоящего.
РТВ — развитие творческого воображения
ИКР — идеальный конечный результат.
ТРИЗ — решения изобретательских задач
Павел Амнуэль
Текст лекции «Теория сильного мышления в современной космологии и астрофизике», прочитанной 20 июня на семинаре ТРИЗ-саммита в Санкт-Петербурге.
Павел Амнуэль
Сильное мышление в современной космологии и астрофизике
На семинаре ТРИЗ-саммита в 2016 году мы говорили, как теория сильного мышления проникает в научно-фантастическую литературу, как взаимодействуют научная фантастика и ТРИЗ, как тризовские законы и приемы проникают в НФ, изменяют ее, и как полученные из исследования НФ правила и принципы создания научно-фантастических идей и ситуаций используются в ТРИЗ и, прежде всего, конечно, в РТВ.
В прошлом году мы говорили о взаимовлиянии науки и научной фантастики, о научной фантастике и фантастической науке, и о том, как способствует теория сильного мышления этому полезному и перспективному взаимовлиянию.
Сегодня речь пойдет о науке – это третья (а по значимости, вероятно, первая) сторона медали: «ТРИЗ – наука – фантастика». О том, как в науке действует (и действует ли вообще) теория сильного мышления (ТСМ): ТРИЗ и ее закономерности.
Научная фантастика разнообразна, и мы говорили, в основном, о фантастике космической и инженерной. Наука разнообразна не менее, если не более, и мы рассмотрим лишь одну из множества направлений научной деятельности: космологию, которая в наши дни переживает революцию.
Напомню сначала основные принципы сильного мышления, как это понимается в ТРИЗ. Перечисляю, очевидно, не все и не в порядке важности того или иного принципа.
Решая научную проблему, ученый должен стремиться к идеальности. Даже при решении частной задачи нужно видеть перспективу, в том числе (а может, в первую очередь) – самую далекую. Возможно, недостижимую в принципе. Более того: возможно, даже неправильно сформулированную, поскольку на пути к заявленной идеальной цели могут оказаться (обязательно окажутся!) противоречия, которые покажут, что цель поставлена неправильно. Поэтому идеальную цель в научной деятельности (в отличие от изобретательства) нужно постоянно уточнять и переформулировать. Но представлять идеальную цель нужно – во всяком случае, стремиться разглядеть. ИКР в науке – это идеальное знание. Не абсолютное знание Истины, о котором говорили философы, а конкретное идеальное знание, когда знание нового факта «само по себе» рождает цепочку (практически бесконечную) нового знания. Идеальное знание так же невозможно, как и абсолютное. Разница в том, что идея об абсолютном знании ограничивает мышление, устанавливает для науки верхний предел достижимого. Идея идеального знания ведет к бесконечному поиску, который никогда не остановится.
Научный поиск, поиск идеального знания – это постоянное выявление и устранение противоречий. Наука развивается, выявляя внутренние противоречия в теориях и внешние противоречия теорий и наблюдений (экспериментов). Если теория представляется полностью внутренне непротиворечивой, значит, в этой теории существует пока не выявленный изъян. Противоречия в научных теориях – не только недостаток в мышлении ученых, но отражение природных противоречий. Если бы не существовало внутренних противоречий в природе, то не происходила бы эволюция. Вселенная была бы идеально скроена, и существовала бы вне времени. Не было бы даже движения, поскольку само движение – понятие противоречивое: «тело находится в данной точке и не находится в ней». Из этого противоречия возникла квантовая теория. Она «всего лишь» описала (но пока даже не объяснила) реальное противоречие в природе. Внутренне противоречиво, например, рождение звезды. Межзвездный газ сжимается под действием собственного гравитационного поля и расширяется под действием возрастающего газового давления. Газ сжимается (поскольку существует гравитация), и газ не должен сжиматься (поскольку существует внутреннее газовое давление). Природа решила противоречие, разнеся противоречивые части во времени. Первая часть (сжатие) отделена от второй (расширение), результатом решения этого противоречия является звезда. Любое равновесное состояние природного объекта – это естественное разрешение природного противоречия.
Признаком сильного мышления является мышление системное – умение видеть не только сам предмет исследования, не только его конкретные свойства изучать и описывать, но всегда представлять систему элементов, подсистемы, и мышление тем более сильное, чем более отдаленные конструкции оно умеет учитывать: сверхсистемы, подсистемы подсистем и так далее. Включая, конечно, развитие во времени – эволюцию, включая революционные качественные изменения.
Разумеется, сильное мышление – это мышление независимое. Независимое не от фактов – здесь мышление как раз должно быть полностью зависимым, должно объяснять факты, создавать систему объяснений. Мышление должно быть независимым от авторитетов.
Сильное мышление – это мышление структурированное, с пониманием того, что существуют объективные принципы – как природные, так и выявленные принципы самого мышления: известные приемы ТРИЗ и РТВ.
Сильное мышление – это постоянная «сверка» фактического материала (экспериментального и наблюдательного) с положениями теорий. Хорошая теория это такая теория, которая объясняет факты и предсказывает новые, еще не обнаруженные.
Сильное мышление – это мышление, соответствующее природному закону, получившему в ТРИЗ название «захват» или, в физике – «увеличение сложности». Это означает знание, способное к развитию. В общем случае – уменьшение энтропии в данной области пространства-времени.
В первые годы, когда ТРИЗ только начала развиваться (и увеличивала ареал своего воздействия), начались и попытки распространить ТРИЗ на научные исследования. Полагали, что развитие науки (по крайней мере – экспериментальной) происходит, главным образом, с помощью метода проб и ошибок – примерно так же, как в изобретательстве. На деле все гораздо сложнее, и метод проб и ошибок ученые используют в крайних случаях, после того, как удается «сузить» исследовательское поле и сделать число необходимых проб приемлемым.
Обратимся к самым выдающимся астрофизическим и космологическим открытиям и теориям последнего времени.
***
Довольно часто приходится слышать, что сейчас в науке не делают эпохальных открытий, а только наносят глянец на уже известную картину мироздания.
Почти четверть века назад американский научный журналист Джон Хорган опубликовал книгу «Конец науки». Хорган побеседовал с выдающимися учеными своего времени: Роджером Пенроузом, Стивеном Вайнбергом, Гансом Бете, Карлом Поппером, Томасом Куном, Ричардом Докинзом, Наумом Хомским и многими другими. Каждому он задавал вопрос: «Будет ли наука развиваться вечно, или мы присутствуем при ее конце?» Общий тон – и выводы Хоргана – оказался довольно пессимистическим.
Вопрос был задан и ответы получены в 1995 году, когда очередные революционные идеи в физике развивались уже полным ходом. Не физика заканчивается, а время старой парадигмы. Система научных парадигм изначально ограничена, как любая система, отражающая природу, а не являющаяся самой природой.
Системы научных знаний развиваются аналогично тому, как происходит развитие технических систем, описанное Г. С. Альтшуллером. Возникновение новой научной системы происходит сначала незаметно для научного сообщества. Действует как принцип сильного мышления (ТСМ: устранение противоречий, независимость суждения, стремление к идеальности, принцип захвата), так и психологическая инерция научного сообщества. Постепенно идея «овладевает массами», начинается бурный экспоненциальный рост – эксперименты следуют один за другим, создаются новые теории. Наконец эксперименты достигают насыщения, новые теории больше не возникают, экспонента переходит в пологую линию, практически горизонтальную. Созрели условия для возникновения новой парадигмы.
Новая парадигма возникает как ответ на противоречия, накопившиеся в старой (и здесь проявляются признаки сильного мышления — устранение противоречий, стремление к идеальности). Новая идея – возможно, даже правильная, может появиться и на экспоненциальном участке, но тогда на нее внимания не обращают. Потом идея возникает заново – в нужное время. Или – если автору повезет – то о его несвоевременной идее вспоминают, и она становится основой новой парадигмы.
Достаточно вспомнить, как развивалась физика в конце 19 – начале 20 века. Тогда физические представления о природе достигли насыщения, новых идей не было, и даже выдающиеся физики утверждали, что физика как наука закончилась. Противоречия, тем не менее были, но вроде бы не такие значительные. Это странный результат эксперимента Майкельсона-Морли, противоречие, возникающие с законом излучения черного тела (так называемая ультрафиолетовая катастрофа).
Для физики переломным оказался 1905 год, когда Эйнштейн предложил качественно новые идеи и разрешил противоречия (признаки сильного мышления – устранение противоречий, независимость мышления, структурирование). В результате возникла новая физика, экспоненциальное развитие которой заняло весь двадцатый век и начало двадцать первого.
Оставаясь в рамках парадигм физики ХХ века, Хорган был прав, утверждая, что науке этой приходит конец, и перечисляя области, в которых ученым предстоит только углубленное изучение деталей.
Но и на век XXI остались великие открытия. Существование гравитационных волн было предсказано сто лет назад в общей теории относительности, и потому это открытие, сделанное в 2015 году, – открытие четвертого типа по определению типов открытий, о которых шла речь на прошлогоднем семинаре.
У Ньютона пространство было всего лишь вместилищем физических тел. Эйнштейн придал пространству самостоятельный смысл. Может существовать и пустое пространство – без материальных тел. Изобразить его можно в виде туго натянутой простыни (если изображать в двумерном виде). Если в пространстве находится материальное тело, пространство искажается – прогибается – тем сильнее, чем больше масса тела и чем ближе к центру притягивающей массы. Если искажения пространства невелики, то законы движения – ньютоновские. Чем сильнее искажения пространства, тем сильнее законы тяготения Эйнштейна отличаются от ньютоновского закона всемирного тяготения. Здесь прежде всего проявляются принцип независимости мышления, принцип соответствия наблюдениям и принцип захвата.
По Эйнштейну, происхождение силы тяжести – геометрическое. Искажения в движении массы или в величине массы выглядят так, будто вы встряхиваете туго натянутую простыню, и по ней пробегает волна. Такие волны называют гравитационными. Существование гравитационных волн предсказал Эйнштейн в 1917 году. Теоретически гравитационные волны могут излучать любые движущиеся тела: звезды, планеты, камни и даже люди. Но излучение это чрезвычайно слабое. Чем больше массы тел и чем сильнее эффекты общей теории относительности, тем сильнее возникающие гравитационные волны. По идее (принцип идеальности!), очень сильные гравитационные волны должны рождаться, когда две черные дыры вращаются друг около друга очень близко, на расстоянии порядка их гравитационных радиусов. Черные дыры теряют энергию на излучение гравитационных волн, из-за этого расстояние между ними уменьшается, и в какой-то момент черные дыры столкнутся и сольются в одну. Тогда возникнет сильнейшая гравитационная волна, искажение пространства можно наблюдать на расстоянии многих миллионов световых лет.
Чтобы обнаружить гравитационную волну, нужно две массы подвесить так, чтобы очень точно отслеживать, как будет меняться расстояние между ними. Если проходит гравитационная волна, пространство искажается, расстояние между телами меняется, это изменение нужно обнаружить.
Ученые построили две перпендикулярные друг другу вакуумных камеры длиной каждая в несколько километров. Подвесили два зеркала и заставили лазерный луч непрерывно «бегать» от одного зеркала к другому. (Использованы приемы увеличения, принцип идеальности). Расчеты показывают, что гравитационная волна из космоса изменит расстояние между зеркалами на величину меньше 10 в степени -18 сантиметра! Это в тысячи раз меньше, чем размер атомного ядра. Для создания работающей установки были сделаны сотни изобретения – в том числе четвертого уровня.
В гонке за гравитационными волнами участвовали несколько стран; но лидерами стали две лаборатории — американский проект LIGO и итальянский детектор Virgo.
LIGO включает в себя два одинаковых детектора, расположенных в Ханфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) и разнесенных друг от друга на 3000 км. Создание гравитационной обсерватории LIGO было инициативой трех ученых из Массачусетского технологического института (MIT) и из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Один из них Кип Торн, теоретик-вдохновитель проекта, хорошо известный в качестве научного консультанта фильма «Интерстеллар». В 2017 году Торн получил за открытие гравитационных волн Нобелевскую премию. (Теория сильного мышления – принцип независимости мышления, соответствие теории и наблюдений, принцип системности).
Гравитационная волна была зарегистрирована 21 сентября 2015 года и интерпретирована как результат слияния двух черных дыр с массами 28 и 35 масс Солнца. Это стало прямым доказательством существования черных дыр (в частности, двойных черных дыр), реальности гравитационных волн, и доказательство правильности геометрического подхода к гравитации. Возникло принципиально новое направление в астрофизике – гравитационно-волновая астрофизика. С помощью гравитационных волн стало возможно исследовать то, что ранее было недоступно для наблюдений. (ТСМ: принцип захвата и принцип идеальности).
Можно будет проверить, насколько верны другие теории гравитации, которых в последнее время развелось довольно много. Здесь и скажется теория сильного мышления – проверка экспериментом.
Решается и задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной. О реликтовых гравитационных волнах заговорили в семидесятых годах ХХ века. Первой научной публикацией на эту тему была работа советского физика Л. П. Грищука (1974 год), но первое упоминание о неизбежном в будущем открытии реликтовых гравитационных волн было в статье П. Р. Амнуэля «Открытия, которые мы выбираем» (1971), опубликованной в журнале «Знание – сила». (ТСМ: прием универсальности, морфологический анализ, принцип захвата).
В ближайшем будущем в строй вступит обновленная итальянская лаборатория Virgo. За счет метода триангуляции три разнесенных в пространстве детектора позволят намного лучше восстанавливать положение источников на небесной сфере. Кроме того, в Японии сейчас строится аналогичная гравитационно-волновая антенна KAGRA, а в Индии в 2022 году планируется запустить детектор LIGO-India. В результате спустя несколько лет будет работать и регулярно регистрировать сигналы целая сеть гравитационно-волновых детекторов.
Другое интересное достижение 2015 года тоже связано с теорией тяготения. Это –гравитационная линза. Массивное тело (Солнце в том числе) своим тяготением искажает движение световых лучей. Этот эффект обнаружил еще Эддингтон в 1919, что стало важным аргументом в пользу теории тяготения Эйнштейна.
Массивное тело может служить своеобразной линзой и фокусировать изображения более далеких небесных тел. Гравитационное поле далекой галактики может исказить изображения еще более далекой галактики или звезды. Гравитационная линза позволяет увидеть объект, который находится дальше за небесным телом, которое служит линзой.
В 2014 году в далеком скоплении галактик была обнаружена сверхновая, свет от которой дошел до нас через гравитационную линзу. В роли линзы выступила самая массивная галактика скопления. Возникло четыре изображения звезды – так называемый «крест Эйнштейна». Расчеты предсказали, что часть света взорвавшейся звезды, отклонившись под действием гравитации, достигнет Земли примерно через год. Ученые уже знали, когда и где ждать нового появления этой сверхновой, и их предсказания подтвердились с впечатляющей точностью. (ТСМ: системное мышление).
Гравитационные линзы, подобно кривым зеркалам, могут создавать весьма причудливые изображения далеких источников: двойные, тройные, четверные изображения, арки, кольца и даже двойные кольца. Астрономы давно надеялись на появление такой сверхновой, потому что множественные изображения объекта, который по космическим меркам быстро меняет свою яркость, позволяют очень точно определить, как обычное вещество (пыль, газ, звезды) и темное вещество распределены по скоплению.
Если происходит слияние не черных дыр, а даух нейтронных звезд, то возникают не только гравитационные волны, но сильнейшее электромагнитное излучение и излучение нейтрино. (Принцип захвата). Именно это произошло 17 августа 2017 года.
Три гравитационно-волновых антенны, расположенные в США (Луизина, Хэмфорд) и Италии (Пиза) практически одновременно зарегистрировали столкновение двух нейтронных звезд на расстоянии 40 мегапарсек. Ошибка координат составила сотни градусов. Однако через две секунды всенаправленная гамма-обсерватория NASA «Ферми» обнаружила короткий всплеск гамма-излучения, позже подтвержденный и европейской гамма-обсерваторией «ИНТЕГРАЛ» (Принцип системности). Через полдня несколько наземных оптических телескопов обнаружили оптическую вспышку в галактике NGC 4993.
Открытый через 12 часов после слияния в галактике NGC 4993 оптический объект ни по поведению, ни по яркости и спектру не был похож на любую из исследованных сверхновых. Полученные вскоре оптические спектры подтвердили, что оболочка килоновой разлетается со скоростью 100 000 километров в секунду, это треть скорости света, что соответствует второй космической скорости на поверхности нейтронных звезд.
Имеется несколько причин, по которым ожидалось, что слияние нейтронных звезд должно сопровождаться электромагнитным излучением. На это впервые обратили советские астрофизики Сергей Иванович Блинников и Игорь Дмитриевич Новиков в 1984 году. В 1998 году профессор Принстонского университета Богдан Пачинский со своим аспирантом заметили, что после столкновения нейтронных звезд часть ядерного вещества может быть выброшена обратно в космос. При этом протоны и нейтроны почти мгновенно начнут соединяться в тяжелые радиоактивные атомы. Их распад приведет к оптической вспышке через несколько часов после взрыва. Мощность этой вспышки будет слабее, чем вспышка сверхновой, но все-таки в тысячу раз ярче Новых звезд. Поэтому эти гипотетические тогда еще взрывы были названы «Килоновыми».
***
В конце ХХ века космологи пришли к заключению, что вся наша Вселенная могла возникнуть из ничего – в буквальном смысле этого слова (Принцип независимости).
Как возникла идея? В семидесятых годах прошлого века – вопрос стоял иначе: почему Вселенная плоская?
Вселенная расширяется. Большой взрыв произошел, по тогдашним оценкам, около 10 миллиардов лет назад. Наблюдения не противоречили уравнениям общей теории относительности. Но был важный нюанс.
Согласно уравнениям Эйнштейна, пространство может быть замкнутым (метрика Римана), плоским (евклидовым) или открытым (метрика Лобачевского).
Вселенная замкнута, если массы в ней достаточно, чтобы гравитационные силы тормозили расширение. Наступает момент, когда расширение прекращается, и Вселенная начинает сжиматься. Если плотность массы во Вселенной меньше критической, то гравитационные силы не могут справиться с расширением, и оно продолжается вечно. А мы сейчас должны наблюдать, что плотность массы во Вселенной на много порядков меньше критической. (ТСМ: противоречия).
Если же средняя плотность массы в момент Большого взрыва в точности равна критической, то расширяется Вселенная с замедлением. В очень далеком будущем расширение прекращается, но сжатие так и не начнется – Вселенная навеки застынет. А сейчас средняя плотность массы во Вселенной если и отличается от критической, то не очень значительно – на один-два порядка.
Менее всего астрофизики рассчитывали, что Вселенная окажется плоской. Чтобы реализовалась такая модель, необходимо, чтобы в момент Большого взрыва средняя плотность массы отличалась от критической не более, чем на 10 в степени -60 величины! С чего бы? Кто-то будто специально подобрал для Вселенной этот вариант?
Тем не менее из наблюдений получалось, что Вселенная практически плоская! И еще. Вселенная заполнена галактиками, звездами, скоплениями и на масштабах, сравнимых с размерами самих галактик, выглядит очень неоднородной. Но в гораздо больших масштабах, сравнимых с размерами Вселенной, наш мир чрезвычайно однороден – в любом месте средняя плотность массы примерно одна и та же. Почему?
Американский астрофизик Алан Гут в 1980 году предложил необычную, но красивую идею, не только объяснявшую, почему Вселенная плоская и однородная, но решавшую и другие проблемы космологии. (ТСМ: независимость суждений).
Годом раньше были опубликованы работы советских физиков Вячеслава Муханова и Алексея Старобинского, где уже были изложены идеи, которые затем «озвучил» Гут. Однако тогда физики не отнеслись к этой работе всерьез. Гут же привлек внимание к новой идее. Здесь важно не только опубликовать новую идею – результат сильного мышления, – но и довести идею до слушателей. Проблема, однако, была в том, что версия Гута при всей ее красоте не соответствовала наблюдениям (проверка сильной теории – сравнение с наблюдениями). Андрей Линде и Александр Виленкин, сумели справиться с недостатками предыдущих версий Гута.
Идея заключалась в том, что Большому взрыву, о котором говорят обычно, как о начале нашей Вселенной, «на самом деле» предшествовала очень короткая стадия расширения пространства, названная инфляционной по аналогии с обычной инфляцией в экономике. При космической инфляции размер пространства еще, по сути, не родившейся вселенной, удваивался за каждые 10 в степени минус 37 секунды! И потому уже через малую долю секунды после начала инфляционного процесса пространство расширилось в 10 в степени миллиард раз!
Расширялось не вещество, которого тогда еще не было, а само пространство. Точнее – так называемый ложный вакуум, в котором происходили квантовые флуктуации. Одна из таких флуктуаций привела к тому, что силы гравитационного отталкивания значительно превысили силу притяжения, и пространство начало чрезвычайно быстро «раздуваться». В принципе, такое «раздувание» может продолжаться вечно («бесконечная инфляция» по Гуту – стремление к идеальности), но ложный вакуум нестабилен, и в какой-то момент в какой-то точке «раздувающегося» пространства ложный вакуум распался. Произошел фазовый переход – ложный вакуум перешел в более устойчивое состояние с низкой энергией и превратился в обычный вакуум. А «лишняя» энергия ложного вакуума выделилась, тогда и возник раскаленный шар из обычного вещества и излучения, продолживший по инерции расширяться уже в обычном вакууме – конечно, со скоростью, меньшей, чем скорость света. Родились протоны и электроны, через несколько сотен тысячелетий они объединились в атомы водорода, затем возникли первые звезды, галактики, скопления галактик, планеты, в том числе Земля… (Стремление к идеальности)
Но это происходит там, где ложный вакуум превращается в обычный. В целом же инфляция продолжается, и родившаяся Вселенная оказывается погружена в безудержно расширяющийся ложный вакуум. В другой его точке тоже происходит фазовый переход нестабильного вакуума в обычный, и происходит еще один Большой взрыв, рождается еще одна вселенная. Рождается огромное (возможно, бесконечное!) количество вселенных, и каждая из них живет по своим физическим законам («хаотическая инфляция» по Линде). (Это соответствует принципу захвата в теории сильного мышления). Одни вселенные существуют доли секунды и «схлопываются», поскольку плотность массы оказывается слишком большой. Другие живут бесконечно долго, если плотность массы в них мала. Новорожденные вселенные состоят из обычной материи, которая не может перемещаться быстрее света. А ложный вакуум, куда эти вселенные погружены, продолжает «раздуваться», пространство между вселенными увеличивается со сверхсветовой скоростью, и, значит, рожденные вселенные очень быстро удаляются друг от друга на такие огромные расстояния, что всякие контакты между ними становятся невозможны. (ТСМ: системность).
Теория инфляции разрешила проблему плоской Вселенной. Если Большому взрыву предшествовала инфляция, то нынешняя Вселенная обязана быть плоской! Даже если в самом начале инфляции пространство и было «закрытым» или «открытым», то в процессе инфляции пространство расширилось в огромное число раз. Когда в ложном вакууме произошел фазовый переход и случился Большой взрыв, пространство было уже плоским, как становится (выглядит!) практически плоской поверхность во много раз раздутого воздушного шара.
Правда, в реальности, как обычно, все оказалось сложнее – и интереснее! В восьмидесятые годы прошлого века техника астрофизических наблюдений позволила, наконец, достаточно надежно определить плотность видимого вещества во Вселенной. К разочарованию космологов, оказалось, что плотность эта слишком мала, всего лишь около процента от критической, предсказанной теорией инфляции. (Противоречие, возникшее, впрочем, еще в тридцатые годы ХХ века, но в то время недооцененное).
В те же восьмидесятые годы удалось достаточно точно измерить массы галактик (по скорости их вращения и светимости), и заново измеренные массы оказались на порядок больше тех, что получались прежде (только по величине светимости). Наблюдения показывали, что в галактиках присутствует невидимая масса, проявляющая себя лишь своим полем тяжести. И масса эта (ее назвали темным веществом) гораздо больше массы всех видимых в телескопы объектов. Значит, космологи могут расслабиться: проблема решена, и Вселенная все-таки плоская?
Не совсем. Если сложить видимую массу с невидимой, то общая плотность вещества во Вселенной получалась все равно примерно втрое меньше критической! Спасла теорию идея, которую выдвинул еще Эйнштейн ровно сто лет назад – в 1917 году. Идея, от которой Эйнштейн впоследствии отказался, назвав ее «величайшей ошибкой». Об этой идее физики забыли надолго, но через три четверти века вспомнили. (Идеальность возвращается).
Вакуум, в котором разбегаются галактики, тоже обладает энергией, а, следовательно, массой! Более того, плотность энергии (и массы!) вакуума, согласно эйнштейновским уравнениям, одна и та же в любой точке и не меняется при расширении Вселенной. Эйнштейн был сторонником идеи статичной Вселенной, а из уравнений получалось, что Вселенная статичной быть не может. Тогда Эйнштейн ввел в уравнения постоянную величину – космологический член, – потому что хотел получить такое решение уравнений, при котором Вселенная была бы стабильной и неподвижной. Когда Эдвин Хаббл в 1929 году доказал, что Вселенная расширяется, Эйнштейн исключил космологический член из уравнения, но много лет спустя оказалось, что сделал он это напрасно. Космологический член (или, как сейчас говорят, космологическая постоянная) как раз и описывал скрытую энергию вакуума, ту самую, которая вносит вклад в общую плотность материи во Вселенной. (Идеальность и Эйнштейн)
Темная энергия расталкивает Вселенную, заставляет ее расширяться быстрее.
Теоретически все прекрасно сошлось: по современным данным, всего лишь 4% массы Вселенной составляет видимое в телескопы вещество (галактики, звезды, плазма, пыль, газ), еще 22% – невидимое вещество, проявляющее себя только полем тяжести. Возможно, это какие-то неизвестные пока науке элементарные частицы. А остальная масса (74%) приходится на неизвестное поле, обладающее огромной энергией (ее назвали темной), равномерно распределенной по всему объему видимой Вселенной.
Плотность вещества (обычного и темного) при расширении Вселенной, естественно, уменьшается, но плотность темной энергии остается неизменной в любой точке и в любой момент времени, начиная с Большого взрыва.
Когда в 1995 году Лоуренс Краусс и Майкл Тернер высказали идею об ускоренном расширении Вселенной, коллеги восприняли ее скептически (проявление независимости суждений авторов новой идеи), но не прошло и трех лет, как сразу две группы астрофизиков опубликовали результаты своих наблюдений, из которых следовало: примерно пять миллиардов лет после Большого взрыва Вселенная расширялась, постепенно замедляясь, а затем начался период ускоренного расширения, который продолжается до сих пор. Вывод этот астрофизики сделали, наблюдая за многочисленными вспышками внегалактических сверхновых, типа Iа, находящихся на самых разных расстояниях.
В те же годы подтверждено было и другое предсказание. В инфляционной теории ложный вакуум, из которого возникла Вселенная, чрезвычайно однороден (идеальность). Однако и в самой однородной «пустоте» возникают флуктуации, поскольку действует принцип неопределенности. Флуктуации должны были возникать и в ложном вакууме, а инфляция эти флуктуации растянула в пространстве. Большой взрыв закрепил флуктуации в виде незначительной разницы в плотности и температуре возникшего вещества. Если теория верна, то сейчас первичные флуктуации должны проявлять себя как слабые вариации температуры и яркости реликтового микроволнового излучения. Более того, теория инфляции позволяет рассчитать величину флуктуаций – и, следовательно, их можно попытаться обнаружить в реально наблюдаемом микроволновом фоне. (ТСМ: морфологический ящик теорий – пробы и ошибки).
Инфляционная теория предсказывала, что величина флуктуаций должна составлять одну стотысячную от яркости излучения. Запущенный в 2006 году спутник WMAP стал сканировать реликтовый фон с такой чувствительностью. Наблюдения подтвердили предсказания теории инфляции с точностью, на которую теоретики даже не надеялись.
Теория инфляции победила, и в правоте ее сейчас нет сомнений у подавляющего большинства физиков. Хорошая теория не может быть правильной в одном и неправильной в другом. Если из теории следуют, скажем, два вывода, а пока удалось подтвердить один, это не означает, что второй, пока неподтвержденный вывод, можно объявить неверным – тогда придется и всю теорию считать неправильной!
А из теории следует, что, во-первых, инфляция продолжается вечно, и во-вторых: в раздувающемся вакууме все время происходят Большие взрывы, рождаются новые вселенные. Может случиться, что две «соседние» вселенные расширяются навстречу друг другу. Тогда они могут столкнуться, и, наблюдая микроволновый фон, мы, по идее, можем увидеть следы столкновения миров. Выглядеть это должно как большое «пятно» в микроволновом излучении. Подобные пятна действительно были обнаружены в 2011 году на картах микроволнового фона, полученных по данным спутника «Планк».
***
Революция в космологии пришлась на конец 20 и начало 21 века, но готовилась она чуть не с самого начала века двадцатого. Самая основа физики была поколеблена еще в первой трети прошлого века. Это как раз тот случай, когда качественно новая идея возникает несвоевременно – старая парадигма себя еще не исчерпала. Более того, это пример того, как независимость суждений противоречит стремлению к идеальности.
В 1926 году Эрвин Шредингер написал уравнение, описывающее состояние элементарной частицы. Но с точки зрения логики и даже здравого смысла уравнение Шредингера содержало внутреннее противоречие. Решением уравнения Шредингера для элементарной частицы является ее волновая функция. Она описывает состояние частицы, но это не определенное положение в пространстве-времени, а большой набор состояний, и заранее неизвестно, в каком именно состоянии находится частица. И лишь эксперимент показывает, где и когда находится частица «на самом деле».
«Да, – сказали физики, – у частицы множество состояний, и каждое ничем не лучше и не хуже других. Но как только наблюдение произведено, все состояния, кроме одного, исчезают. Коллапсируют. Именно наблюдатель выбирает, какое из множества состояний элементарной частицы соответствует реальности»…
В 1957 году американский физик Хью Эверетт предложил идею, которая это противоречие разрешила, но создала в умах физиков внутренний барьер неприятия. Барьер неприятия – в чистом виде психологическая инерция, тот случай, когда общее мнение (сформированное, кстати, сильным мышлением!) пришло в противоречие с независимым мнением (сильное мышление на новом этапе).
«Наблюдаем мы только один результат эксперимента, — сказал Эверетт, — потому что все остальные реализуются в других вселенных».
Проверить, существуют ли другие вселенные, чрезвычайно трудно или вообще невозможно. Многомирие, однако, появилось в инфляционной модели Большого взрыва. А тут еще и теория струн возникла и укрепилась как прекрасный инструмент для описания квантовых явлений. Струнных теорий – совершенно равноправных (ни одна не лучше и не хуже других!) – тоже оказалось огромное количество.
Идеи многомирия вползали в физику упорно и настойчиво – их не пускали в дверь, они вползали в окна…
Сейчас физики обсуждают различные многомировые идеи и теории, не отдавая ни одной предпочтение. Парадигма «наша Вселенная – единственная» меняется на глазах…
Двадцать лет назад американский физик Макс Тегмарк рассказал, как можно на личном опыте проверить, существует ли многомирие. Если многомирие реально, то существует множество (возможно, бесконечное!) миров, где живут наши точные копии. Настолько точные, что проживают все перипетии нашей жизни, думают, как мы, поступают, как мы. Но есть и множество (возможно, бесконечное!) миров, где наши копии поступают иначе. Что произойдет, если вы вдруг погибнете? Поскольку ваша копия в другом мире продолжает жить, то вы, погибнув, ощутите себя живым и даже подозревать не будете, что в какой-то вселенной стали хладным трупом. Умерев в одном мире, вы продолжите жить в другом. Потом в третьем, четвертом… миллионном…
«Возьмите револьвер, – предлагает Тегмарк, – зарядите пятью холостыми патронами и одним боевым. Покрутите барабан и выстрелите себе в висок. Пять шансов из шести, что вы услышите хлопок и разочарованно положите оружие. Но есть один шанс из шести, что после выстрела вы окажетесь в другой вселенной, той, где другой “вы” тоже сыграл в “русскую рулетку” и ему, в отличие от вас, выпал счастливый билет. И вы продолжите жить, так и оставшись в уверенности, что выстрел был холостым. А где-то в уже покинутой вами вселенной безутешные родственники будут оплакивать потерю».
Правда, Тегмарк предупреждает: ни в коем случае не проводите этот опыт, тщательно не подготовившись. С подготовкой – сложнее. Переход состоится только в том случае, если это будет полностью квантовый процесс. Все должно произойти за квантовое время, а оно чрезвычайно мало – 10-34 секунды. Есть и другие ограничения, которые делают «квантовое самоубийство» сугубо мысленным экспериментом. Но дело-то – в принципе!
«Квантовое самоубийство» Тегмарка (так стали называть предложенный ученым эксперимент) привлекло внимание не только физиков, но и всех, кто физикой интересуется. Сам же Тегмарк попытался свести известные типы многомирий в одну систему в книге «Наша математическая вселенная».
Физики полагают, что вселенная – область пространства-времени, доступная наблюдениям. Наша Вселенная расширилась из-за инфляции чуть ли не до 50 миллиардов световых лет, но видеть мы можем только то, что находится на расстоянии максимум 13,78 миллиардов световых лет. С большего расстояния свет дойти до нас не успел и никогда не успеет. Это и есть наша Вселенная – то, что мы в принципе можем наблюдать.
Но на расстояниях более 14 миллиардов световых лет могут располагаться аналогичные вселенные, подобно островам в бесконечном океане. Предсказать существование такого многомирия можно и без квантовой физики – достаточно классической. Вселенные существуют в едином бесконечном пространстве-времени, а потому во всех – одни и те же физические законы. Это обстоятельство объединяет островные вселенные в одно многомирие. По Тегмарку – многомирие Первого уровня, многомирие-I.
Интереснее, однако, многомирие Второго уровня (многомирие-II). Множество (возможно, бесконечное!) вселенных возникает в ходе хаотической инфляции, результатом которой становится множество Больших взрывов. Здесь законы физики «создаются» в результате инфляции в разных пространствах, и в каждом могут быть свои физические законы. В подавляющем большинстве инфляционных вселенных жизнь невозможна, зарождается она лишь в очень малой части миров. Но миров бесконечно много, а потому даже малая их доля – тоже число бесконечно большое! Многомирие-II бесконечно «богаче» разнообразными физическими явлениями, чем многомирие-I.
Есть еще квантовое многомирие Эверетта. Квантовое многомирие (многомирие-III) бесконечно разнообразнее многомирия-II, которое, в свою очередь, бесконечно разнообразнее многомирия-I с одинаковыми в каждой вселенной законами природы.
Прежде чем подняться вслед за Тегмарком на Четвертый уровень, остановимся и оглянемся. Три типа многомирий, бесконечное число самых разнообразных миров. Что между ними общего, если даже законы природы различны?
Математика. Все, без исключения, вселенные описываются математически.
Каждый объект Вселенной обладает физическими свойствами. Но давайте погрузимся вглубь – на атомарный уровень. Здесь эти свойства исчезают. Атом не круглый, не жесткий, не зеленый. Физических свойств у атома много меньше, чем у системы атомов – молекулы, а у молекулы физических свойств много меньше, чем у яблока, человека или Солнца.
А какими физическими свойствами обладают элементарные частицы? Масса, энергия (которая, в конечном счете, тоже масса), импульс, момент вращения… Все? Но импульс и вращательный момент (спин) – это, вообще говоря, уже не материальные сущности. Это абстракция. Числа.
Элементарные частицы, как утверждают физики, – всего лишь особые колебания неких струн. А струны даже массы не имеют! Масса создается в процессе струнных колебаний (бозон Хиггса!). Струна, вообще говоря, объект не физический, а сугубо математический. Число.
Что такое пространство, заполненное звездами, – по Эйнштейну? Это, по сути, геометрия. «Изучать пространство, – пишет Тегмарк в книге “Наша математическая вселенная”, – все равно, что изучать геометрию. А геометрия – часть математики». Свойства пространства – размерность, кривизна, топология, – свойства математического объекта.
И получается, что на самом фундаментальном уровне природы физики нет вообще, а есть только и исключительно математика! Все физические объекты (и мы с вами!) являемся, если разобраться, сугубо математическими структурами.
Еще более фундаментальная мировая сущность: волновая функция, движущаяся в гильбертовом пространстве, обладающем бесконечно большим числом размерностей. И волновая функция, и гильбертово пространство – объекты сугубо математические.
В основе физических законов лежат мировые постоянные – постоянная Планка, тонкой структуры, тяготения, скорость света… Числа, числа, числа.
Физики много лет пытаются понять, ПОЧЕМУ физические законы такие, какие есть? Если математическая структура – это сама физическая реальность, то на этот вопрос можно дать простой и ясный ответ. Существует бесконечное множество различных внутренне непротиворечивых математических структур. И числа – мировые постоянные – всего лишь показывают, в какой именно математической структуре мы живем. Эти числа не говорят нам НИЧЕГО о физической реальности, они – как адрес на конверте – лишь указывают наш адрес в мироздании, указывают, к какой математической структуре мы с вами относимся.
И если так, то естественные ответы возникают на самые фундаментальные вопросы физики и всего нашего бытия. Например, о том, что такое время. В математическом многомирии время – иллюзия, возникающая в нашем сознании. Что есть самосознание? Это субструктура математической структуры. И так далее.
И еще, очень важное: исследовать многомирие-IV гораздо проще, чем изучать любое другое «нижестоящее» многомирие – хотя бы потому, что для изучения математических структур любой сложности достаточно иметь хорошие идеи и мощные компьютеры. (Системность!)
Если Тегмарк ошибается и многомирия-IV не существует, значит, когда-нибудь в будущем физикам придется поставить точку в своих исследованиях. Ученые натолкнутся на непреодолимое препятствие – отсутствие математического описания. Вот тогда-то наука действительно закончится. А если мироздание – это математическое многомирие-IV, то познание не прекратится никогда.
***
Все перечисленные типы многомирий (а есть еще несколько, о которых не говорю просто из-за недостатка времени), казалось бы, имеют одну общую особенность: миры в каждом из многомирий отделены один от другого и никак друг с другом не взаимодействуют. Эвереттовские миры не взаимодействуют друг с другом, поскольку уравнение Шредингера – линейное, и все его решения ортогональны друг к другу, то есть никак взаимодействовать не могут. Следовательно, невозможно перемещение из одной вселенной в другую. Аналогичная ситуация в других типах многомирий.
Однако принцип захвата действует и в этом случае. Юрий Лебедев предложил аксиому, обратную идее ветвления – аксиому склеек (независимость мышления и прием наоборот). Это сильная аксиома, и в случае квантового многомирия из нее следует, что уравнение Шредингера, в общем виде, на самом деле нелинейно, и лишь в частном приближении, в условиях земной физики, линейное уравнение дает правильные решения.
В последние годы эта концепция получила экспериментальные подтверждения. Эвереттическое многомирие обнаруживается в экспериментах нидерландской группы Пола Квята, японских физиков Цегая и Намекаты, бразильских – Адонаи и Оттавио, результаты которых можно интерпретировать как взаимодействие разных физических реальностей. Из наблюдений реликтового микроволнового фона тоже можно обнаружить возможное столкновение нашей Вселенной с другой – это уже в рамках инфляционного многомирия.
***
С многомирием космология связана еще через один аспект.
Френсис Дрейк в шестидесятых годах прошлого века вывел формулу для оценки числа высокоразвитых цивилизаций. По Дрейку получалось, что только в Галактике могут существовать миллионы цивилизаций, более или менее похожих на нашу.
С другой стороны, есть оценки вероятности зарождения жизни, подобной нашей, и числа эти не оставляют для разума практически никаких шансов. Вероятность случайного возникновения живой молекулы из неживого вещества настолько мала, что для такого процесса необходимо время, на много порядков превышающее время жизни Вселенной. Кроме этой маловероятной случайности необходимы десятки других, уменьшающие ничтожную вероятность появления на Земле разумной жизни практически до нуля.
Возникновение Вселенной, пригодной для жизни, – тоже явление чрезвычайно маловероятное. Если бы значение постоянной Планка отличалось от нынешнего на несколько процентов, атомы не могли бы образоваться, и жизнь не возникла бы. Если бы немного иной была космологическая постоянная (ее сейчас называют темной энергией), Вселенная или мгновенно расширилась бы, или очень быстро коллапсировала. В обоих случаях жизнь не успела бы возникнуть. И так далее.
Космологи называют это «тонкой настройкой» и формулируют «сильный антропный принцип», утверждающий, что «Вселенная такова, потому что в ней существуем мы».
Есть два альтернативных следствия из сильного антропного принципа.
Первое – Бог существует, и его воля создала Вселенную такой, какой мы ее наблюдаем. Теория вероятностей тут ни при чем. Современная наука предлагает иную альтернативу: наша Вселенная – не единственная.
Почти все описания контактов с внеземным разумом грешат антропоморфизмом и экстенсивностью. «Сила» разума определяется его энергетическими возможностями. В 1964 году советский астрофизик Николай Семенович Кардашев предложил такую классификацию разумных цивилизаций.
Цивилизация I типа использует энергию, сравнимую с энергией своей планеты.
Более развитая цивилизация II типа способна утилизовать энергию звезды.
Цивилизация III типа утилизует энергию галактики.
При таком подходе вырастают до размеров галактик экспансионистские потребности, а присущая человеку потребность колонизовать новые «земли», в том числе и с помощью военного вмешательства, распространяется на все внеземные цивилизации.
На мой взгляд, правильнее классифицировать цивилизации не по экстенсивному (энергия), а по интенсивному (новое знание) признаку. Разум – это возможность объяснять окружающий мир и возможность создавать новое знание о мироздании. И только потом – попытки это знание использовать для практических приложений.
Цивилизации I типа полагают свою планету центром мира.
Цивилизации II типа полагают центром мира свою звезду.
Цивилизации III типа уверены, что живут в единственной Вселенной.
Цивилизации IV типа знают о многомирии, но еще не научились перемещаться из одного мира в другой.
Цивилизации V типа могут осуществлять контакты с мирами, где законы физики одинаковы.
Цивилизации VI типа осуществляют контакты с мирами, где законы природы различны.
Цивилизации VII типа способны изменять законы физики и создавать миры согласно измененным законам.
Возможны цивилизации VIII, IX и более «продвинутых» типов, о которых мы сейчас не имеем ни малейшего представления.
Когда-то люди полагали, что Земля – центр мироздания и создана Богом (богами) специально для того, чтобы на ней могло жить человечество. Потом поняли, что Земля – не центр, и поместили в центр Солнце. Затем пришло понимание, что и Солнце – не центр мироздания, а всего лишь рядовая звезда. Возникла естественная мысль, что множество разумных рас может существовать на множестве планет вокруг множества других звезд. Перейдя на следующую ступень развития (цивилизация III типа), люди поняли, что и Галактика – не центр мироздания, существуют миллиарды галактик в расширяющейся Вселенной. А современные идеи о физическом многомирии переводят Вселенную в разряд одной из бесконечного числа разнообразных вселенных.
Человечество принадлежит к типу, переходному от третьего к четвертому. Возникает естественный вопрос: если мы в нашей Вселенной – единственные и нас практически невозможно обнаружить среди огромного числа звездных систем в огромном числе галактик, то как мы, даже если сумеем осуществить переход в другую вселенную, обнаружим в ее глубинах «братьев по разуму»?
У меня ответ из области научной фантастики, но сегодня речь не о ней. Еще не сделано открытие, позволяющее нашей цивилизации перейти к следующему, пятому типу. Но такое открытие будет сделано, как были сделаны открытия, благодаря которым человечество эволюционировало от первого типа до третьего.
Невозможно подойти к новому качественному скачку, не пройдя все предыдущие стадии развития. Чем быстрее человечество пройдет все нынешние стадии исследований и технических разработок, тем быстрее дойдет до открытия, которое изменит судьбу нашей цивилизации. И этого не произойдет, если исследователи не будут пользоваться методами сильного мышления.
***
В заключение вернемся к литературе – с точки зрения науки.
Квантовый век – квантовая литература. Литература представляется как аналог волновой функции в квантовой физике. Всякая книга, всякий текст (не только текст, но изображение, музыка) находится в состоянии суперпозиции, пока ее не прочитает читатель, не увидит зритель, не услышит слушатель. Это, как говорят в квантовой физике — наблюдатели. В момент прочтения «волновая функция» книги (если следовать копенгагенской интерпретации) коллапсирует, и читатель (наблюдатель) переводит книгу из состояния суперпозиции в определенное наблюдаемое (конкретно данным читателем) состояние.
Но ведь верна, скорее всего, как мы видели, многомировая интерпретация – множество вселенных, где наблюдаются все возможные состояния частицы. Так и в литературе: это своего рода многомирие, множество читательских миров, и каждый читатель (каждый мир) воспринимает книгу по-своему. Ничье наблюдение не хуже и не лучше другого.
Как и в науке, в литературе существует смена парадигм. Как в науке и технике, литературные парадигмы возникают, стремительно завоевывают читательские миры, приходят к застою – и появлению новой парадигмы.
Литература древности и средневековья – это литература мифа. Миф присутствовал в любом произведении. Миф воспринимался как реальность. Боги для людей были реальны. Эта парадигма развивалась во времени – эпос, рыцарский роман, романтизм, классицизм… Но к концу XVIII века мифологический реализм достиг своего потолка, и возникла новая парадигма, новая литература – реалистическая. Реалистическая проза достигла максимума своего существования в XIX – начале ХХ века. В нынешнем реализме возрастает влияние фантастического элемента. И напротив: в фантастической литературе возрастает элемент реализма. Вывод: литература будущего – литература фантастическая в своей основе.
Проникновение фантастики в «обычную» литературу – это новые идеи, новый взгляд на мир. Новая литературная парадигма. Сильное мышление.
Информацию о конференции можно найти в Интернете:
http://www.bookunion.ru/…/futurologicheskaya_konferentsiya…/
Телевизионный репортаж о конференции, показанный по телеканалам Санкт-Петербурга:
https://topspb.tv/…/podachu-stil-i-format-obsuzhdayut-sego…/
Понравилось это:
Нравится Загрузка...
