Заглянем в будущее

Будущее науки. Ее завтрашний и послезавтрашний день. Грядущие открытия. И, в частности, завтрашний день космологии, новые открытия в области изучения геометрии Вселенной. Какими они будут?

— Боюсь, что реально предвидеть дальние пути развития естественных наук крайне трудно, почти невозможно, — говорит академик Наан. — Что мы можем сказать, например, о науке двухтысячного года, если наши сегодняшние знания составят в ней только десять процентов? Подлинное будущее, то специфическое, что отличает науку будущего от настоящего, не дает себя предвидеть. Решающую роль в формировании будущего сыграют не те проблемы, которые мы умеем решать, и даже не те, которые уже поставлены, но решены будут лишь в будущем. Решающую роль все же сыграют проблемы, которые нам сейчас и не снятся.

Да, предсказывать будущие научные открытия, видимо, и в самом деле, увы, невозможно. Но намечать наиболее перспективные пути к этим «неизвестным» открытиям вполне в силах ученых.

Первые июньские дни 1970 года. Теплый летний дождик омывает Крещатик. Не рискуя вступать с ним в спор, участники очередного Всесоюзного симпозиума по философским проблемам космологии и теории тяготения, происходящего в Киеве, после окончания очередного заседания столпились у выхода.

Пользуясь случаем, обмениваются впечатлениями. В центре самой большой группы А. Л. Зельманов. Его выступление было хотя и самым кратким, но, пожалуй, и самым впечатляющим. Впрочем, то, что мы услышали сегодня, явилось естественным развитием его взглядов, уже не раз опубликованных.

Среди довольно большого числа различных физических теорий может быть выделено сравнительно небольшое число «основных», то есть таких теорий, предметом которых являются основные законы физики и основные сведения о характере движения. В настоящее время таких «основных» теорий насчитывается шесть: ньютоновская теория тяготения, классическая механика, квантовая механика, специальная теория относительности, общая теория относительности и релятивистская квантовая теория.

В уравнения всех этих теорий, за исключением ньютоновской механики, входят так называемые фундаментальные постоянные. Их три — постоянная тяготения, величина, обратная скорости света, и так называемая постоянная Планка.

Когда создается физическая теория более общая, чем предыдущие, она «вбирает» в себя и соответствующие постоянные. Так, например, в уравнения ньютоновской теории тяготения входит только одна фундаментальная постоянная — постоянная тяготения, а в уравнения специальной теории относительности — величина обратная скорости света. В уравнения же общей теории относительности, которая представляет собой обобщение этих двух теорий, входят обе указанные постоянные.

Точно так же релятивистская квантовая теория, представляющая собой обобщение специальной теории относительности и квантовой механики, вобрала в себя две фундаментальные постоянные — величину, обратную скорости света, и постоянную Планка.

Поэтому есть основания предполагать, считает Зельманов, что будущая физическая теория, которую можно условно назвать общей физической теорией, вберет в себя все три фундаментальные постоянные. Другими словами, в ее уравнения, видимо, должны будут входить и гравитационная постоянная, и величина, обратная скорости света, и постоянная Планка.

Как-то я поинтересовался, есть ли, помимо этих соображений, еще какие-либо другие?

Видите ли, — сказал тогда Зельманов. — И общая теория относительности, и релятивистская квантовая теория, взятые по отдельности, явно не полны. Первая не ох вкатывает квантовых явлений, вторая — гравитационных. Между тем в природе и квантовые явления, и гравитация реально существуют. А следовательно, общая теория должна охватить и те, и другие.

— Но ведь не исключено, что единая физическая теория, объединяющая релятивистскую квантовую теорию и общую теорию относительности, вообще не может быть построена.

Мой вопрос, должно быть, не показался Зельманову чем-то неправомерным.

— В принципе такой случай может произойти, — согласился он. — Но тогда место общей физической теории должны занять какие-то принципы, из которых будет следовать, что синтез общей теории относительности и релятивистской квантовой теории невозможен.

Потом мне не раз приходилось слышать, как подобные же мысли высказывали и другие ученые.

— Для того чтобы выяснить вопрос о Вселенной в целом, — говорил, например, известный советский физик Д. А. Франк-Каменецкий, — необходим синтез классической теории поля, венцом которой является теория тяготения, и квантовой теории поля, которая позволяет изучать и понимать свойства частиц при очень больших энергиях. Необходимая теория, которая могла бы одновременно описывать и свойства частиц при очень больших энергиях, когда эти частицы взаимно переходят друг в друга, и одновременно явления тяготения, когда эти частицы образуют тела столь большой массы, что силы тяготения приобретают решающую роль.

А сегодня с трибуны симпозиума Зельманов попытался заглянуть в завтра будущей теории.

Дело в том, говорил он, что все основные физические теории пользуются представлением о так называемом метрическом пространстве, то есть пользуются понятиями «длины» и «длительности».

Но для того чтобы применять эти понятия, необходимо знать их эталоны. В современной физике прототипами таких достаточно точных и строгих эталонов могут служить соответственно кристаллы вещества и атомные колебания.

Однако уже при современном уровне знаний можно представить себе вполне реальные физические условия, при которых материальные объекты, способные служить эталонами длины и длительности, в принципе не могут существовать, то есть не могут существовать ни атомы, ни кристаллы. С еще более тяжелыми ограничениями мы встретимся в тех случаях, когда не могут существовать даже элементарные частицы.

Есть все основания думать, что наша область Вселенной, видимо, прошла через подобные стадии. Но это означает, что физическая теория применительно к подобным условиям не может пользоваться понятиями «длины» и «длительности». Разумеется, возможно, что в таких условиях есть другие эталоны «длины» и «длительности». Но это будет уже другая «длина» и другая «длительность».

Поэтому можно предполагать, что в будущей общей физической теорий понятия «длины» и «длительности» вообще перестанут быть основными. Не исключено, что от них и вовсе придется отказаться.

А вечером мы сидим в уютном номере старинной киевской гостиницы, и я пытаюсь «выудить» у Зельманова «дополнительные соображения». Впрочем, он, как всегда, охотно обсуждает подобные вопросы.

— Вы сказали, — начинаю я, — что в будущей теории, возможно, придется отказаться от понятий «длины» и «длительности». Вероятно, существует такая закономерность: при переходе от одной физической теории к другой, более общей, всегда приходилось от чего-то отказываться?

— Да, — согласился Зельманов. — Но, заметьте, отказ этот всякий раз был минимальным.

— Ну и что же произойдет после того, как в будущей теории «длина» и «длительность» перестанут быть основными понятиями?

— Видите ли, выбор определенных эталонов «длины» и «длительности» единственным образом фиксирует наше понимание метрических величин (промежутков времени, расстояний, углов), а следовательно, и метрических свойств пространства. Именно так обстоит дело в ньютоновской теории. А если преимущественных эталонов нет, можно вводить различные метрики. Но каждой метрике соответствует своя формулировка физических законов.

— Своеобразный принцип относительности? А как вообще будет обстоять дело с относительностью?

— Кстати… Не помню, говорил ли я вам о том, — поинтересовался Зельманов, — что относительность конечности и бесконечности пространства имеет особый смысл?

Я отрицательно покачал головой.

— Так вот, дело в том, что если в некоторой системе отсчета объем пространства конечен, то это относится только к данному моменту времени. В действительности же он стремится к бесконечности. Между прочим, это обстоятельство показывает неправомерность или, точнее, относительность противопоставления актуальной и потенциальной бесконечности в их применении к материальному миру. Что же касается будущей теории… Действительно, на уровне общей теории относительности пространственная и временная конечность и бесконечность относительны. Но конечность или бесконечность пространства-времени абсолютна — именно потому, что есть единственные эталоны длины и длительности. Но если равноправных метрик много, то возникает и относительность пространственно-временных характеристик мира.

— А вот что интересно. Как вы думаете, есть ли что-либо общее в том переходе, который произошел от классической физики к общей теории относительности, и в предстоящем переходе от общей теории относительности к общей физической теории?

— То был переход от физики, в которой принцип относительности играл подчиненную роль или не играл вовсе никакой роли, к физике, для которой принцип относительности явился основным. А теперь, возможно, произойдет переход к физике, для которой существует соотносительность физики и геометрии.

— Что это значит — соотносительность физики и геометрии?

— Соотносительность в том смысле, что только совокупность того и другого может описать закономерности материального мира.

— Ну, а если попытаться заглянуть в еще более отдаленное будущее физической теории? От чего еще придется отказываться?

— По всей вероятности, от фиксированного числа измерений пространства-времени. Как вы знаете, классическая физика оперировала с трехмерным пространством. В общей теории относительности рассматривается пространство уже четырех измерений — пространство-время, в котором три координаты — обычные пространственные координаты, четвертая — время. Не исключена возможность, что в будущей физической теории появятся пространства и с большим числом измерений, а статут координат дополнительных измерений получат какие-то другие физические величины. Очень может быть, что ими могут стать такие характеристики, как масса и энергия, импульс, а может быть, электрический заряд, барионное число и так далее.

На улице снова забарабанил дождь, Зельманов встал и, подойдя к окну, надолго задержался возле него, всматриваясь в размытое водяными струйками мерцание вечерних огней. Возможно, эта несколько призрачная картина порождала в его сознании какие-то новые ассоциации, возбуждала полет воображения.

Полет воображения!.. Об его огромной роли в разработке оригинальных научных теорий высказывались многие крупнейшие ученые, создатели новых теорий и представлений.

— В основе всех истинных достижений науки лежит творческое воображение, — говорил французский физик Луи де Бройль, один из создателей квантовой механики. — И именно поэтому человеческий ум способен в конечном итоге взять верх над всеми машинами, которые вычисляют лучше, чем он, но не могут ни воображать, ни предчувствовать.

И те выводы, к которым пришел Зельманов, тоже результат полета воображения ученого, оттолкнувшегося от современного состояния науки и поднявшегося на такую высоту, с которой можно заглянуть в ее завтрашний день.

А пока Зельманов стоял у окна, я вспоминал недавний разговор примерно на ту же тему с академиком Нааном. О наиболее перспективных с его точки зрения идеях в современной физике и астрофизике.

— О перспективности тех или иных идей можно судить лишь с крайней осторожностью, — заметил тогда Густав Иоганнович— В сущности, можно говорить только о том, какие идеи импонируют. А здесь все зависит от интуиции. Лично мне больше всего импонируют идеи, связанные с предположениями о наличии в геометрических свойствах Вселенной различных «патологических» особенностей. До тех пор пока мы не решимся отказаться от попыток подгонять свойства Вселенной под простейшие идеи, нового большого прогресса в философском понимании пространства, вероятно, не будет. Сюда, в частности, относится вопрос о прерывности и непрерывности пространства как в малом, так и в большом.

— Насколько я понял, речь идет о возможности существования областей пространства или целых миров, существенно отличающихся друг от друга по своим геометрическим свойствам? — спросил я своего собеседника.

— Да. Тут могут быть самые удивительные неожиданности. В свое время я, например, высказал идею 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 течет вспять в сравнении с нашим временем. Теоретически возможна и еще более сложная картина совокупности различных «сопряженных миров».

Разумеется, над изучением геометрических свойств Вселенной трудятся не только Зельманов, не только Наап, но и многие другие современные исследователи — и советские, и зарубежные. И физики, и астрономы, и философы. Но именно А. Л. Зельманову удалось получить в последнее время наиболее впечатляющие новые результаты, а Г. И. Наан не может не привлекать внимания неизменной оригинальностью своих суждений, свежестью и остротой мысли.

— Пожалуй, самое интересное то, — снова заговорил Зельманов, — что нам никогда не удастся построить полную и завершенную теоретическую модель Вселенной, описывающую все детали происходящих в ней процессов.

— А, собственно говоря, почему? — возразил я. — Ведь если допустить, что Вселенная конечна в пространстве и в ней содержится конечное число частиц, почему в этом случае нельзя построить исчерпывающую модель?

— Прежде всего это абсолютно невыполнимо практически. Приведу один пример, который мне кажется знаменательным. Как вы знаете, химические свойства различных веществ мы выясняем в эксперименте. Но эти свойства зависят не только от молекул, но и от деталей их структуры, которые определяются законами квантовой механики. Так что в принципе есть возможность вычислить все химические свойства различных веществ, не прибегая к экспериментам, чисто теоретическим путем, исходя из квантовомеханических принципов.

— Почему же так и не поступают? С помощью электронно-вычислительных машин?

— Не так давно один зарубежный ученый решил испробовать эту возможность. Он выбрал очень простую молекулу и провел для нее соответствующие расчеты. Разумеется, они потребовали применения электронно-вычислительных машин. И, действительно, совпадение вычисленных химических свойств избранного вещества с его свойствами, известными из эксперимента, получилось поразительное. Тогда ученый взял другое вещество с несколько более сложной молекулой и попробовал проделать то же самое. Но тут обнаружилась совершенно потрясающая вещь. Оказалось, что из-за очень небольшого усложнения структуры молекулы объем необходимых вычислений вырос в невероятной степени, и работа оказалась практически совершенно невыполнимой. Даже с помощью всех существующих в мире электронно-вычислительных машин. А ведь речь шла о химических свойствах всего лишь одного довольно простого вещества.

— Значит, если даже будут открыты все основные физические принципы, вывести чисто теоретически все многообразие мира практически невозможно?

— Да, так обстоит дело. Кстати сказать, именно по этой причине наука никогда не откажется от эксперимента, эксперимент никогда не может быть полностью заменен никакой теорией. Уже хотя бы потому, что это невыполнимо практически. И еще: химия в принципе может быть выведена из физики, а биология — из химии и так далее… Но так как это невыполнимо, то каждая из перечисленных наук имеет право на самостоятельное существование.

В дверь стучат, и в номере появляются соседи по гостинице, тоже участники симпозиума — два молодых ленинградских философа Бранский и Кармин.

Разговор становится общим. Обсуждается все та же тема — будущая теория Вселенной. Но теперь наша беседа приобретает явно философский оттенок. Речь, в частности, заходит об эвристической роли философии.

— Эвристическая роль философии, — увлеченно говорит Кармин, — состоит не в формировании тех или иных физических принципов и решении конкретных физических задач, а в формировании фундаментальных исходных понятий новых фундаментальных теорий. Именно этим диалектический материализм отличается от натурфилософии.

— Но ведь могут же философские соображения служить критериями для выбора тех или иных направлений в физике и астрофизике? — замечаю я.

— Безусловно, да, — отзывается Бранский. — Но именно для выбора, а не для вывода. Нельзя из философских принципов логическим путем получать физические выводы. Между прочим, именно так понимал роль философии в физике Альберт Эйнштейн.

Они очень хорошо дополняют друг друга — эмоциональный Кармин и уравновешенный, рассудительный Бранский.

— Обычно при разработке новой теории имеется некоторое количество фактов, — добавляет Кармин, — на основе которых можно в принципе создать множество различных теорий. В конце концов какому из возможных вариантов отдать предпочтение — решается практикой. Но все же на первых порах ученый должен стать на какую-то точку зрения. И здесь обычно проявляется то, что называют интуицией исследователя. Если же разобраться глубже, то окажется, что в основе такой интуиции, как правило, лежат философские предпосылки.

— Практика обычно осуществляет отбор уже сформировавшихся теорий, но она не в силах помочь нам сделать выбор того или иного принципа из нескольких возможных. А без этого нельзя построить теорию, — заключает Бранский.

— Ну, а как, на ваш взгляд, — спрашиваю я, — способна ли философия заглядывать в будущее науки дальше, чем сами конкретные науки?

— Да, конечно, — убежденно говорит Бранский. — Так, например, согласно современной физической теории от распределения материи зависят метрические свойства пространства, но топология при этом одинакова. А с точки зрения философии возможно изменение также и топологических свойств. Это вытекает из последовательного проведения принципа изменчивости материи, изменчивости не только частных свойств, но и общих. Конечно, подобный прогноз не обязательно должен оказаться верным, но философия помогает его сделать.

— Физические соображения обычно накладывают более жесткие ограничения, — замечает Кармин. — С точки зрения философии картина получается более общей, а значит, появляется возможность и более далеких выводов. Кроме того, следует заметить, что философия более устойчива, чем конкретные научные теории, она медленнее меняет свой вид. Это объясняется тем, что философия является обобщением более высокого порядка. Вот почему философия способна как бы задавать схему познания.

Слушая их, я думаю о теоретиках — той особой категории исследователей природы, которые способны силой мысли и воображения строить модели явлений, известных и еще неизвестных.

У теоретиков (а космологи, как, впрочем, и философы, это и есть теоретики в самом чистом виде) — особая лаборатория. Нет в ней ни телескопов, ни радиотелескопов, ни ускорителей ядерных частиц, хотя, разумеется, и теоретики должны быть в курсе новейших наблюдений и экспериментов. Иначе не о чем будет теоретизировать. Но основной рабочий инструмент теоретика — вечная ручка и лист бумаги, а главное исследовательское оружие — размышления и… разговоры: споры, диспуты, обсуждения и просто обмен мнениями с другими исследователями при каждом удобном случае. И нередко именно в ходе таких бесед и рождаются новые оригинальные мысли, которые затем обрастают вычислениями и формулами, а иногда превращаются в новые гипотезы и теории.

И кто знает, может быть, те дискуссии и обсуждения, которые вели физики, астрофизики и философы тогда в Киеве, в зале заседаний симпозиума, и в перерывах, и в гостиничных номерах, и просто прохаживаясь по широкому солнечному Крещатику, может быть, они тоже послужат одним из толчков к разработке той теории Вселенной, которая уже стучится в двери и которую все мы ожидаем с волнением и нетерпением.