Природа не терпит однообразия

Источник: журнал «Знание сила», №5, 1969 год.

Академик АН ЭстССР отвечает на вопросы нашего корреспондента. Интервью с комментариями и размышлениями.

Во втором номере нашего журнала за 1968 год была опубликована статья «Геометрия Вселенной», где, в частности, рассказывалось о некоторых оригинальных идеях советского учёного Г. И. Наана.

Статья вызвала живой интерес читателей, и мы решили продолжить разговор на эту тему. В №12 за прошлый год был опубликован обзор писем с ответами на некоторые вопросы. С другими вопросами мы решили обратиться к самому учёному.

Сегодня мы публикуем беседу нашего корреспондента с академиком Г. И. Нааном.

Издательство «Валгус». Кабинет главного редактора Эстонской энциклопедии академика Густава Иоганновича Наана.

Я, корреспондент журнала «Знание – сила», задаю вопросы, академик Наан отвечает. И ещё, по обоюдному соглашению, мы вводим в наш разговор воображаемое третье лицо – Комментатора, который, прерывая беседу и обращаясь к читателю, будет пояснять всё сложное, обращать внимание на самое интересное.

Итак, первый вопрос.

– УЧЁНЫЕ РАЗРАБАТЫВАЮТ СЕЙЧАС РАЗЛИЧНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ «МОДЕЛИ» ВСЕЛЕННОЙ. КАК ОТНОСИТЬСЯ К ПОДОБНЫМ МОДЕЛЯМ И В КАКОЙ СТЕПЕНИ, НА ВАШ ВЗГЛЯД, МОЖЕТ ОТВЕЧАТЬ РЕАЛЬНОМУ ПОЛОЖЕНИЮ ВЕЩЕЙ МОДЕЛЬ ОДНОРОДНОЙ И ИЗОТРОПНОЙ ВСЕЛЕННОЙ?

КОММЕНТАТОР. – Все ли помнят, что понимается под однородностью и изотропностью? Изотропность – одинаковость свойств по всем направлениям. Другими словами, пространство, лишённое каких-нибудь привилегированных направлений, изотропно. Требование однородности означает, что картина мира должна быть одинаковой во всех точках пространства. Иногда накладывают ещё более жёсткие требования, полагая, что во всех точках должны быть одинаковыми свойства и поведение материи...

Г. И. НААН. – Построение теоретических моделей – вполне законный способ исследования природы. Каждая такая модель, если она построена на фактах и внутренне непротиворечива, отражает какие-то стороны реального мира. Не следует только забывать, что «модель» – это ещё не сама природа...

Теперь – о модели однородной и изотропной Вселенной. К сожалению, данные астрономических наблюдений, которые используются при построении моделей Вселенной, пока достаточно неопределённы. Значит, более сложные модели мы просто не можем сравнивать с природой и, следовательно, судить о том, в какой степени они реальны. Только поэтому при современном состоянии наших астрономических знаний простая однородная и изотропная модель представляется наилучшей. Но было бы слишком хорошо, если бы такое положение сохранялось всегда. В действительности мир наверняка устроен гораздо сложнее. И потому можно ожидать, что со временем нам придётся переходить ко всё более сложным и запутанным моделям. Даже к таким, в которых рядом друг с другом могут сосуществовать различные миры, с разными свойствами. Миры, между которыми возможны всякого рода «разрывы» и «щели», где мыслимы и другие экзотические особенности...

КОММЕНТАТОР. – «Неизбежность странного мира». Удачный заголовок, который писатель Д. Данин дал своей книге о достижениях и проблемах современной физики. Со времени выхода этой книги прошло уже некоторое время. И сейчас можно уже говорить о неизбежности ещё болев странного, прямо-таки фантастического мира.

И писатели-фантасты приучают нас исподволь к этому ещё более странному миру. Путешествия во времени, нуль-транспортировки, пространства, свёрнутые в рулон, параллельные миры – всё это отражение каких-то реальных научных представлений. И идеи академика Наана – о симметричной Вселенной, о сопряжённых мирах, о необычном течении времени в отдалённых уголках Вселенной – яркий пример всё более странного мира науки.

Вся большая Вселенная, с этой точки зрения, являет собой конгломерат из множества «вселенных» более мелкого порядка, метагалактик. В отдельности каждая такая Вселенная может быть похожей и непохожей на наш мир. Для себя, внутри себя, она, вероятно, однородна и изотропна. И физические процессы идут в ней пусть не по нашим, но по вполне регулярным законам.

И вот самое странное начинается на сопряжениях этих миров, составляющих вкупе не однородную и не изотропную – лоскутную Вселенную. Здесь, на границах, регулярность и изотропность могут оказаться просто невозможными.

Объективные законы – это те или иные ограничения, которые природа накладывает на движение материи... Представьте себе: вы совершали путешествие в будущее и попали в какой-нибудь энный век. И обнаруживаете, что все ваши знания по физике ничего не стоят. И не только потому, что наши потомки много больше знают, но и потому, что изменилась за это время сама природа... Итак, следующий вопрос...

– СЧИТАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ МОГУТ МЕНЯТЬСЯ СО ВРЕМЕНЕМ?

Г. И. НААН. – Трудно ответить определённо... Некоторые физики допускают, что со временем в нашей области Вселенной происходит изменение констант, постоянных величин, входящих в формулы фундаментальных физических законов, например, постоянной тяготения.

Сейчас, после открытия реликтового радиоизлучения, представляется весьма правдоподобным, что Метагалактика в отдалённые времена находилась в состоянии, к которому известные нам сейчас законы физики, возможно, и неприменимы.

Реликтовое излучение – это как бы сигналы, переданные из далёкого прошлого в сегодняшний день. Радиоволны, испущенные материей в определённом, теперь уже немыслимом состоянии и с тех пор блуждающие в безднах Вселенной. И вот эти сигналы как будто свидетельствуют: начиная с какого-то момента Метагалактика представляла собой, скорее всего, «горячую» смесь элементарных частиц и фотонов. Гигантская капля этой смеси обладала плотностью атомного ядра и температурой порядка тысячи триллионов градусов. Каковы были закономерности явлений внутри этого сгустка и что было раньше (оговоримся: если слово «раньше» здесь имеет смысл) – судить трудно.

Для современной физики – это пока ещё «тёмный лес». Но одно ясно: это было совершенно особое состояние материи, иное, чем все известные нам. Поэтому есть основания подозревать, что в то время и физические законы могли иметь иной характер. Если же Метагалактика представляет собой пульсирующую систему и со временем теперешнее её расширение сменится сжатием, то плотность материи вновь может возрасти настолько, что характер законов изменится снова.

КОММЕНТАТОР. – Мир в наших представлениях становится всё более сложным. И это несмотря на то, что многие поколения философов и естествоиспытателей исходили в своих построениях и теориях из «принципа простоты». Отчасти именно это изображение привело в своё время Коперника к отказу от головоломной системы эпициклов и диферентов Птолемея. Они были заменены движением планет вокруг Солнца по идеальным математическим кривым – окружностям. И это был гигантский шаг вперёд, хотя кривые в конце концов оказались гораздо более сложными. «Принцип простоты» играл определяющую роль и при создании других физических теорий, в частности теории относительности... Вот тут-то и возникает следующий вопрос.

– МОЖНО ЛИ СЧИТАТЬ, ЧТО ПРИРОДЕ ПРИСУЩ НЕКИЙ «ПРИНЦИП ЭКОНОМИИ», ЧТО ОНА «РЕШАЕТ» СВОИ ЗАДАЧИ КРАТЧАЙШИМ ПУТЕМ. ЕСЛИ ЭТО ТАК, ТО, МОЖЕТ БЫТЬ, ИМЕЕТ СМЫСЛ СТРЕМИТЬСЯ К ТОМУ, ЧТОБЫ И НАШИ ТЕОРИИ ВЫГЛЯДЕЛИ КАК МОЖНО БОЛЕЕ ПРОСТО?

Г. И. НААН. – Я бы скорее сказал, что природа не терпит однообразия. Что же касается простоты, то в окружающем нас мире можно найти как примеры удивительно экономного «решения» задач, так и поразительной расточительности. Возьмём хотя бы такую область, как генетический отбор. Здесь прогресс достигается за счёт перебора огромного количества возможностей, и из множества проб реализуется лишь ничтожная часть.

Какими-то своими сторонами природа действительно «экономна», и это даёт нам возможность часто использовать предположение о «простоте решений» в качестве руководящего принципа. Подобные принципы широко применяются в механике для решения многих важных задач.

Но вообще-то... Что значит – «просто»? Может быть, тот или иной процесс представляется нам чрезвычайно сложным только потому, что мы не можем до сих пор понять какого-то принципа, лежащего в его основе. А когда поймём, все будет выглядеть весьма просто.

И другое: «простое» и «сложное» – понятия относительные. Скажем, уравнения общей теории. относительности А. Эйнштейна можно считать с одной стороны необычайно простыми, а с другой – весьма сложными.

Принцип, положенный в их основу, – прост, а решение – очень сложное. Настолько сложно, что мы и до сих пор ещё не знаем всего богатства их содержания.

– КАК ИЗВЕСТНО, В ПРИРОДЕ ПРЕОБЛАДАЮТ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕХОДА ОТ МЕНЕЕ ВЕРОЯТНЫХ СОСТОЯНИЙ К БОЛЕЕ ВЕРОЯТНЫМ – ТО ЕСТЬ ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕСЯ ВОЗРАСТАНИЕМ ЭНТРОПИИ, ЧТО МОЖНО СКАЗАТЬ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ О СОЗИДАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ О ПРОЦЕССАХ, ПРОТЕКАЮЩИХ С УМЕНЬШЕНИЕМ ЭНТРОПИИ?

КОММЕНТАТОР. – В сущности, вопрос об энтропии – это вопрос о той, если можно так выразиться, «отработанной» энергии, которая образуется при всех тепловых процессах и накопление которой, как считал один из созидателей термодинамики Р. Клаузиус, в конце концов должно привести к тепловой гибели мира. Логика как будто подтверждает это мнение. Если вся энергия стечёт на самый низкий уровень, ей некуда будет уже перетекать. Движение во Вселенной прекратится... Нам, ясно, не нравится эта перспектива. И мы ищем из неё выхода.

Г. И. НААН. – В рамках современных представлений о Вселенной закон возрастания энтропии, видимо, является абсолютным. За исключением области микроявлений – там оба направления процессов совершенно равноправны. Но как только количество частиц становится большим, закон возрастания энтропии начинает действовать. Логический конец этого процесса, – действительно, пресловутая «тепловая смерть Вселенной».

Во всех известных нам макроскопических и космических явлениях уменьшение энтропии в некоторой области всегда достигается за счёт её увеличения в какой-то другой области. Отлично сказал Шредингер: энтропия кошки уменьшается за счёт того, что возрастает энтропия системы «кошка плюс мышь».

Ф. Энгельс был безусловно прав в том отношении, что стоит продолжать поиски антиэнтропийных явлений. В каком направлении?

В современной науке почти общепринята точка зрения, согласно которой одностороннее изменение энтропии – её возрастание – определяет направление течения времени.

Но в принципе можно представить себе и обратную зависимость. Что если само возрастание энтропии диктуется направлением течения времени? Тогда мыслима такая ситуация: в разных «частях» Вселенной время может течь в противоположных направлениях. Внутри каждой такой части (с точки зрения находящегося в ней наблюдателя) всё происходит как обычно – энтропия возрастает. Но в среднем во Вселенной, состоящей из множества подобных и «противоположных» частей, поддерживается некоторое энтропийное равновесие.

Здесь уже шла речь о моей идее так называемой симметричной Вселенной. В такой Вселенной наряду с нашим «миром» – Метагалактикой существует «антимир». Но не просто антимир из антивещества. В этом антимире имеет место обращение «пространства-времени», «правое» поменялось местами с «левым», другими словами, все положительные координаты стали отрицательными, а время течёт вспять в сравнении с нашим временем. Теоретически возможна и ещё более сложная картина совокупности различных «сопряжённых миров».

При такой «конструкции» Вселенной в иных её частях могут протекать и антиэнтропийные процессы. Но до тех пор, пока наука исходит из единого пространственно-временного каркаса Вселенной, реальных путей для выявления антиэнтропийных процессов не видно.

Я хотел бы подчеркнуть, что затронутый нами вопрос представляет собой одну из самых захватывающих проблем, связанных е выяснением физической картины мира.

– КАК ВЫ СМОТРИТЕ НА ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ О ТОМ, ЧТО РОЛЬ РАЗУМНЫХ СУЩЕСТВ В ТОЙ СИСТЕМЕ ПРОЦЕССОВ, КОТОРЫЕ ПРОТЕКАЮТ ВО ВСЕЛЕННОЙ, ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В АКТИВНОМ УМЕНЬШЕНИИ ЭНТРОПИИ?

КОММЕНТАТОР. – Насколько я понимаю, речь идёт не столько о том, в какой мере разумные обитатели Вселенной могут вести борьбу с мировой энтропией, сколько и месте самих разумных существ в эволюции материи.

Г. И. НААН. – Логично, но разумная наша деятельность не исчерпывает вопроса, ибо, как бы там ни было, уменьшая энтропию, мы всегда достигаем этого за счёт увеличения энтропии в какой-то другой области, «засоряем» окружающее. Не так давно мы обсуждали аналогичные вопросы у себя в Институте. Кто-то из присутствующих предложил даже считать мерой прогресса отношение искусственного прироста нэгэнтропии (то есть уменьшения энтропии) к общему её запасу в некоторой разумно выбранной области. Здесь мыслится собирание энергии, увеличение перепадов между высоким и низким энергетическим уровнем. Ну, примерно как мы увеличиваем нэгэнтропию реки, превращая часть её в водохранилище с помощью плотины. Но мы знаем, что всякое такое преобразование природы требует сугубой осторожности. Так и с нэгэнтропией во Вселенной. Её, вероятно, понадобится добывать. Но делать это надо экономно, скупо. Если прогресс (значительные скачки вперёд) будет достигаться за счёт того, что мы будем «отравлять» повышенной энтропией окружающую среду для последующих поколений, – такой прогресс будет весьма сомнительным.

Мне кажется, вообще неправильно говорить об особой роли разумных существ во Вселенной, о смысле существования человека. Я бы сформулировал это так: «смысл существования – в существовании». Тут, разумеется, имеется в виду биологическое существование. Ведь создавая человека, природа не могла ставить перед собой каких-либо сознательных целей.

КОММЕНТАТОР. – Наша беседа перешла в область философии. И мне кажется, самое время перейти к следующему вопросу, К сожалению, до сих пор некоторые учёные – представители точных наук почему-то отводят философии роль толкователя, чей черёд приходит лишь тогда, когда открытие уже сделано, теория уже разработана.

Итак, вопрос о роли философии.

– МОГУТ ЛИ И В КАКИХ СЛУЧАЯХ ФИЛОСОФСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ ИГРАТЬ РОЛЬ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ КРИТЕРИЕВ? ИНТЕРЕСНО БЫЛО БЫ ЗНАТЬ НА ЭТОТ СЧЁТ ВАШЕ МНЕНИЕ КАК УЧЁНОГО, РАБОТАЮЩЕГО В ОБЛАСТИ ФИЛОСОФИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

Г. И. НААН. – Скорее даже в пограничной области между философией и естествознанием, так что приходится «залезать» и туда, и сюда.

Полностью заменить естественнонаучные критерии философскими, разумеется, нельзя. Но среди самых разнообразных факторов, влияющих на осуществление научных открытий, разного рода философские соображения бесспорно играют немалую роль (хотя часто сами авторы открытий об этом даже и не догадываются).

В истории науки можно найти немало тому примеров. Взять хотя бы историю открытия нестационарных объектов во Вселенной. В своё время исследователи были твёрдо убеждены, что все космические объекты в общем стационарны; какие-либо существенные изменения могут с ними происходить лишь чрезвычайно медленно. Я могу смело сказать: это была скорее философская традиция, чем научный вывод из каких-то наблюдений. Больше того, когда были открыты так называемые цефеиды – звёзды, периодически изменяющие свой блеск за короткие промежутки времени, то астрономы и подумать даже не могли, что причиной таких явлений могут быть какие-то физические процессы в самих звёздах. Этому помешало всё то же инстинктивно-философское представление о стационарности процессов. Очень долго считалось, что все цефеиды – это затменно-переменные звезды, и астрономы занимались безуспешными поисками второй компоненты – звезды, которая периодически затмевает первую. И лишь после того, как А. Белопольский исследовал цефеиды с помощью спектрального анализа, стало ясно, что это пульсирующие звёзды.

– В ДАННОМ СЛУЧАЕ НЕВЕРНЫЕ ФИЛОСОФСКИЕ СООБРАЖЕНИЯ СЫГРАЛИ РОЛЬ ТОРМОЗА?

Г. И. НААН. – Да. Но бывает и иначе. Например, академик В. Амбарцумян, впервые выдвинувший идею о важности нестационарных процессов в эволюции материи во Вселенной, по-видимому, исходил из другой идеи. В природе, – считал он, – есть не только плавные эволюционные процессы, но и качественные скачки. Он отверг и другой прежний постулат, имеющий философское значение. Ещё с античных философов шло представление о том, что «в начале был хаос» и уж из этого только хаоса могли конденсироваться звёзды и галактика. Амбарцумян выступил против этого одностороннего подхода. По его идее, не обязательно процессы должны идти в одном направлении – от рассеянного состояния вещества к конденсированному. Столь же возможен и обратный процесс – взрыв.

Философские соображения при решении естественнонаучных задач иногда помогают осуществлять выбор между различными возможностями отсекать бесперспективные направления.

КАКИЕ НОВЫЕ ИДЕИ В ФИЗИКЕ И АСТРОФИЗИКИ ВЫ СЧИТАЕТЕ НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫМИ?

Г. И. НААН. – О перспективности тех или иных идей можно судить лишь с крайней осторожностью. В сущности, можно говорить только о том, какие идеи нравятся. Лично мне больше всего импонируют идеи, связанные с предположениями о неевклидовости топологии Вселенной, о наличии в ней различных особенностей. На мой взгляд, от дальнейшего развития этих идей можно ожидать революционного прогресса не только в астрономии, но и в физике. Сюда, в частности, относится вопрос о прерывности и непрерывности пространства как в малом, так и в большом.

КОММЕНТАТОР. – Насколько я понял, речь идёт о возможности сосуществования областей пространства или целых миров, отличающихся друг от друга по своим геометрическим свойствам?

Г. И. НААН. – По геометрическим свойствам четырёхмерного «пространства-времени». Тут могут быть самые удивительные неожиданности, например, при переходе из одного мира в другой может меняться направление или темп течения времени, пространственная координата обращаться во временную к наоборот и т. д.

– ЕСЛИ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ОКАЖЕТСЯ, ЧТО ПОМИМО НАШЕГО МИРА СУЩЕСТВУЮТ ДРУГИЕ МИРЫ ИЛИ ОБЛАСТИ, ОТЛИЧАЮЩИЕСЯ СВОЕЙ ТОПОЛОГИЕЙ, ТО БУДЕТ ЛИ ДОСТАТОЧНО ДЛЯ ИХ ОПИСАНИЯ НАШИХ ОБЫЧНЫХ ПОНЯТИЙ? ИЛИ ПОТРЕБУЮТСЯ КАКИЕ-ТО «ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ» ПОНЯТИЯ. КАК ЭТО ПОЛУЧИЛОСЬ В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА?

Г. И. НААН. – Вероятно, без дополнительных понятий не обойтись. Но это, разумеется, потребует не только больших усилий, но и определённых психологических сдвигов. Например, Максвелл, разрабатывая свою теорию электромагнитного поля, долго пытался построить её на механических понятиях. И только спустя многие годы было осознанно, что в этом нет никакой необходимости, что само электромагнитное поле является тем объективным понятием, которое не нужно приводить к другим, нам уже известным. Но такие «шаги» в науке связаны со значительной перестройкой сознания.

– НО ВЕДЬ НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, И В ОСОБЕННОСТИ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, ДО СИХ ПОР ЕЩЁ НЕ ПРОНИКЛИ В СОЗНАНИЕ ЛЮДЕЙ. СКАЖЕМ, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ЕДИНОМ «ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ». А СУДЯ ПО ВАШИМ СЛОВАМ. НЕДАЛЁК ДЕНЬ, КОГДА И ЭТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРИДЁТСЯ ПЕРЕСТРАИВАТЬ.

Г. И. НААН. – Что поделаешь. Темп развития современной науки столь высок, что к таким перестройкам волей-неволей придётся привыкать. Вероятно, со временем это сделается нормой человеческого мышления...






www.etheroneph.com