О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Саратовская государственная юридическая академия»

С.И. КАЩЕЕВ

О ПРИРОДЕ ВЕЩЕЙ

Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

Саратов

2024

Вместо предисловия

Вообще говоря, автор не любит предисловий. В равной степе- ни отрицательно он относится к предуведомлениям, проскриптам, пролегоменамипрочимтекстам,призваннымобъяснитьчитателю, о чем ему будут говорить далее. Если это «далее» состоялось, пре- дисловиенеимеетсмысла,еслинет–неимеетсмыславдвойне.Од- нако в данном случае автору пришлось изменить себе и снабдить текстчем-товродепояснительнойзаписки.Деловтом,чтонаучное знание, о котором идет речь ниже, обладает рядом вполне опре- деленных критериев, среди которых есть два тесно взаимосвязан- ных – повторяемость и проверяемость. Наука, в принципе, может заниматься только повторяемыми явлениями, поскольку единич- ный факт способен стать пищей для размышлений, но не объектом научного анализа. Невозможно построить график по одной точке. Тем не менее существуют три абсолютно уникальных явления, ко- торые, несмотря на свою неповторимость, являются предметом научных исследований. Это рождение Вселенной, появление жизни и возникновение человеческого разума. То, что наука обращается к ним, свидетельствует в первую очередь даже не о ее силе, а о му- жестве ученых. Ведь именно мужеством надо обладать, чтобы ста- витьвопросы,заведомозная,чтоответ,покрайнеймеревегоокон- чательнойформе,никогданебудетполучен,ипытаясь,несмотряни на что, хотя бы приблизиться к раскрытию этих тайн. Собственно говоря, такие приближения и составляют современную научную картинумира.

Итак, первым фактом, не отвечающим строгим требованиям повторяемости и проверяемости научного знания, является само появление нашей Вселенной. Перед тем как обратиться к концеп- туальному рассмотрению различных аспектов этого вопроса, нам, как убежденным гуманитариям, интересно будет взглянуть на чи- сто лингвистическую сторону. Слово «Вселенная» на различных языках звучит неодинаково, что неудивительно. Удивительнее другое – смысловая нагрузка этого термина также совершенно раз- лична, несмотря на то, что речь идет об одном и том же объекте. Так, в переводе на английский язык Вселенная – the Universe (обя-

3

зательно так – с определенным артиклем и с заглавной буквы); вбольшинствезападноевропейскихстраннаблюдаетсясходноена- писание, восходящее к латинскому Universum – всеобщий, единый, всеобъемлющий. Для древних греков же Вселенная была Космосом (этослововошловрусскийязыкбезизменений),однакодословный перевод его, подчеркивающий первоначальное значение, – «изу- крашенный». Космос античных греков – в первую очередь произ- ведение искусства; как любое произведение, он уникален, однако эта уникальность не имеет ничего общего c латинским единичным универсумом,онпредназначеннедлятого,чтобыегоизучать,адля того,чтобыимлюбоваться.Западнаятрадициявыбралалатинский подход,чтоиотразилосьвязыковыхконструкциях.

В русском языке равно употребляются термины «космос», «уни- версум»,«Вселенная»,однакосмысловыеоттенкиразличны.Космос означаетсмещениеакцентанапространственныйаспект,универсум

– на аналитический подход, слово же «Вселенная» показывает, что нас «вселили» в этот мир; возможно, это отражение вечных русских вопросов о своем месте и его смысле (развивая эту тему, мы неиз- бежнодойдемидо«чтоделать?»,и,разумеется,до«ктовиноват?»).

Этот полушутливый разговор о языках понадобился нам ради единственной цели – с первых мгновений знакомства с наукой о Вселенной прочувствовать, что возможны различные точки зре- ния, подходы к изучению Вселенной, разные концепции ее проис- хожденияит.д.

Наиболее древней такой концепцией является креационист- ская, утверждающая, что мир был образован в результате боже- ственного акта творения. Все религии всех народов имеют некое- го бога-творца, демиурга, по воле которого образуется Вселенная. Правда, следует особо оговориться, что в античных мифах вначале былнебог,ахаос,изкотороговнезапновозникпорядок,ноэто,ско- рее,исключение,ккоторомумыещевернемся.Кразговоружеона- учныхконцепцияхкреационизмнеимеетникакогоотношения.

Наука в том смысле, который мы сейчас вкладываем в это сло- во, говоря о мире в целом, охватывает такой широчайший круг во- просов, рассмотреть которые даже в первом приближении не пред- ставляется возможным в рамках обзорного курса. Поэтому нам во- лей-неволей придется уподобиться героине рассказов Бабеля тете Песе из Одессы, у которой «всегда была в запасе пара слов, о чем бы ни заходила речь». Остается лишь надеяться, что подобное изложе- ниенеокажетсяслишкомлегковеснымиэклектичным.

4

Часть 1. ЗАГАДКА ВСЕЛЕННОЙ

1. Опять скрипит потертое седло,

пара сл о пространстве и времени илиВ повседневной жизни большинство людей не задумываются

о том, что такое пространство. Мы просто живем в нем, так же, как рыбы, живущие в воде, не задумываются о ее свойствах. То, что че- ловек с рождения пребывает в мире с вполне определенными ха- рактеристиками,делаетеговосприятиенастолькопривычным,что некоторые философы полагали, что представления о пространстве и времени являются врожденными и не зависят от нашего опыта. Однако интеллект человека все же выше, чем рыбы (по крайней мере, хочется в это верить), и потому отдельные представители че- ловеческого рода вопреки очевидности с ранних этапов развития цивилизации выдвигали гипотезы, расходящиеся с привычным восприятиемокружающегомира.

Наиболее парадоксальная точка зрения принадлежит, разу- меется, Эйнштейну, с именем которого у большинства людей свя- зан некий суеверный, мистический ужас. Теория относительности представляется чем-то запредельно сложным и недоступным по- ниманию рядового человека. На самом деле сложность этой теории связанасеематематическимаппаратом;еслижеотвлечьсяотурав- нений,тоидеи,лежащиевееоснове,оказываютсявполнепонятны- ми,хотяирасходящимисяспривычнымипредставлениями.

Первоетакоерасхождениесвязаноспривычкойксложениюско- ростей.Длянас,впривычноммиреневысокихскоростей,очевидно, что если два человека идут навстречу друг другу, они встретятся быстрее,чемеслибыодинизнихдвигался,авторойстоялнаместе. Скорости складываются, и временной промежуток, необходимый для преодоления конечного отрезка пути, уменьшается. Анало- гичным образом, если в поезде, движущемся со скоростью 50 км/ч,

5

идет человек, скорость которого составляет 5 км/ч, то относитель- но земли он будет двигаться со скоростью, равной сумме этих ско- ростей, если он идет к голове состава, и разности – если движется кхвосту.Этаочевидностьнастолькопрочновошлавнашесознание, чтомыневсостояниипредставить,чтоможетбытьиначе.Укорене- нию этих представлений немало способствуют и школьные курсы физикииматематики,гдевсемнамприходилосьвыяснять,закакое времяпоезддоедетотстанцииАдостанцииВпризаданныхрассто- янииискорости.

Закон сложения скоростей напрямую вытекает из фундамен- тальных физических представлений, сформулированных Ньюто- ном. Любопытный момент: уже в то время (а его «Математические начала натуральной философии» увидели свет в 1686 г.) очевид- ностьпересталаслужитьдоказательством,примеромчемуявляется система Коперника. Вопреки совершенно очевидному факту – дви- жению Солнца по небосклону – была создана гелиоцентрическая система, в которой благодаря точным расчетам было доказано, что дело обстоит с точностью до наоборот – движетсяне Солнце,а Зем- ля. Тем не менее представление о пространстве как о чем-то незы- блемом и неизменном было настолько прочным, что Ньютону даже не пришло в голову подвергнуть его сомнению: «Абсолютное про- странство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным». Столь же фундаментальным оказывается и представление о вре- мени: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительно- стью» – вот так Ньютон характеризовал пространственно-времен- ныевзаимоотношения.

Для того чтобы нанести этой незыблемой фундаментальности сокрушительный удар (а заодно зародить в миллионах людей ком- плекс неполноценности), понадобилось двести двадцать лет и ге- нийАльбертаЭйнштейна.

На самом деле, теории относительности не было бы, если бы не было предшествующих ей опытов американского физика Май- кельсона, которые служат любопытным примером одного замеча- тельного научного парадокса: часто великие открытия соверша- ются совершенно случайно, более того – благодаря ошибочным исходным представлениям. Всем известно, что Колумб надеялся найти безопасный путь в Индию, а оказался в Америке. Аналогич-

6

нымобразомМайкельсонпыталсядоказатьсуществованиеэфира– невидимойинеосязаемойсубстанции,заполняющей,потогдашним представлениям, всю Вселенную. Для подтверждения этой гипоте- зы в качестве вспомогательного эксперимента потребовалось с вы- сокой точностью измерить скорость света (здесь следует заметить, что первые измерения Майкельсона относятся к 1878 г., то есть ко времени,когдатехникаужепозволяладостичьзначительнойточно- сти). Опыты по измерению скорости света проводились и до этого, напримерв1850г.ЛеономФуко,исамипосебеничегонедоказыва- ли и не опровергали. Ключевым моментом явилась необходимость провести измерения в двух направлениях – по ходу движения Зем- ли и перпендикулярно ее движению. С точки зрения классической физики с ее законом сложения скоростей скорость света в первом случае должна была оказаться значительно больше – ведь к соб- ственнойскоростинеобходимобылоприбавитьскоростьдвижения Земли в пространстве (так же, как мы прибавляли скорость поезда к скорости идущего по нему человека). Каково же было изумление ученых, когда они обнаружили, что и в первом и во втором случае результаты измерений абсолютно одинаковы! Скорость света ока- залась не зависящей от скорости движения его источника, и этот постулат, известный как принцип инвариантности, оказался тем плацдармом, с которого Эйнштейн повел свои атаки на абсолютное пространствоивремя.

Началонсвремени,аточнее–спредставленияободновремен- ности событий. В нашей обыденной жизни мы постоянно говорим отом,чтонесколькособытийпроисходятодновременно.Однакоза- думаемся–ачтоэтоозначает?

Когдамыутверждаем,чтонаводнениенаШриЛанкепроизошло как раз в тот момент, когда в Европе открылся саммит «Большой восьмерки»,иличтовМосквеслучилоськрупноеДТПименнотогда, когдаяселзавтракатьвоВладивостоке,мы,посути,говоримотом, что в этот момент часы в различных точках земного шара показы- вали одно и то же время. Вопрос, следовательно, лишь в том, чтобы синхронизировать часы – заставить их стрелки двигаться синхрон- но.Какмыобычнопоступаемвтакихслучаях?Даоченьпросто–вы- ставляем одни часы по другим и пребываем в убеждении, что этого вполне достаточно. Эйнштейн же предложил мысленный экспери- мент, показавший, что понятие одновременности – вовсе не такое простое, каким кажется на первый взгляд. В самом упрощенном видеегоможноистолковатьследующимобразом.

7

Представим себе, что два наблюдателя, которым нужно вы- ставить часы, находятся в вагоне поезда: один – в голове, другой – в хвосте. Точно посередине расположен источник света, который в определенный момент дает вспышку. Свет, достигая противопо- ложных стенок вагона, активизирует механизм запуска часов. Если вагон стоит на месте, то, очевидно, свет достигнет головы и хвоста вагонаодновременно,ичасыбудутпоказыватьодноитожевремя.

Ничего не изменится, если мы перенесем этот источник на пер- рон, расположив его также строго напротив середины вагона. Од- нако картинка перевернется с ног на голову (а точнее – с головы наноги),кактолькомызаставимвагондвигаться.

Насамомделе,еслисветвспыхнетвтотмомент,когдаегоисточ- ник поравняется с центром вагона, его лучам потребуется чуть меньше времени, чтобы достигнуть его задней стенки (ведь вагон движется, и расстояние, которое должен пройти луч до нее, будет чуть меньшим, а до головной стенки, соответственно, чуть боль- шим).Такимобразом,часынаблюдателя,находящегосясзади,акти- визируютсячутьраньше,чемчасыу«головного»наблюдателя.

Пока речь идет о нашей повседневной жизни с ее небольшими скоростямидвижения,подобнымрасхождениемможнопренебречь. Этот мысленный эксперимент ничего не дал бы, будь он поставлен до опытов Майкельсона, поскольку Ньютон утверждал, что преде- ла скорости не существует и любое воздействие может мгновенно передаваться на сколь угодно большие расстояния (этот постулат ньютоновской картины мира известен как принцип дальнодей- ствия). Однако после того как было зафиксировано, что скорость света – величина постоянная, более того – предельная для нашего мира, эта идея Эйнштейна произвела подлинный переворот. Рас- хождения в показаниях часов, пренебрежительно малые в механи- ческих системах, оказываются чрезвычайно существенными, если речь идет о больших скоростях, сравнимых со скоростью света. И пусть нас не смущает, что подобные скорости до сих пор недости- жимы – важен сам факт того, что время отнюдь не является «не за- висящей от внешних воздействий длительностью», его течение не- разрывно связано с движением. Время в покоящихся и движущихся системах отсчета протекает неодинаково – вот основной вывод, следующий из рассуждений Эйнштейна. Таким образом, говорить о том, что время является абсолютной величиной, протекающей всегда с одинаковой скоростью, с точки зрения современной физи- кинекорректно.

8

После того как были разрушены классические ньютоновские представления о времени, настала очередь пространства. С ним дело обстояло даже проще, поскольку в механике Ньютона про- странствоивремясвязаныстрогимиматематическимиформулами. Путь, пройденный движущимся телом, равен произведению скоро- сти этого тела и времени – эту формулу мы помним со школьной скамьи. Однако, если нельзя говорить о каком-то определенном абсолютном времени, то, соответственно, нельзя говорить и об аб- солютном пространстве, поскольку пройденный путь – это и есть преодоленноепространство.

По сути, представление об относительности пространства го- раздо привычнее для обыденного восприятия. Выдающийся аме- риканскийфизикрусскогопроисхожденияГеоргийГамовприводит великолепный пример такой относительности: обедая в вагоне-ре- сторане идущего поезда, вы съедаете свой суп и десерт в одной и той же точке вагона, но в различных точках железнодорожного полотна, разделенных достаточно большим расстоянием (Г. Гамов. Мистер Томпкинс изучает атом). Абсолютно тривиальное утверж- дениевтом,чтокасаетсяпространства,оказываетсянепривычным и даже на первый взгляд абсурдным, когда речь заходит о времени, хотя,каклегковидеть,обаонисовершенносимметричны.Нахожде- ние в той или иной точке пространства зависит от позиции наблю- дателя и системы отсчета. Точно так же от этих факторов зависит инахождениевкакой-либоточкевремени.

Взаимосвязь пространства и времени, разумеется, описывается весьмасложнымиформулами,испециальнаятеорияотносительно- сти потому и оказалась революционным прорывом в физике ХХ в., что Эйнштейн не просто высказал гениальную догадку, но и смог составить соответствующие уравнения. Вдаваться в математиче- ский аппарат для нас не имеет смысла, гораздо важнее проследить не просто взаимосвязь пространства и времени, а их внутреннее единство, ту нерасторжимость, которая и позволила говорить о на- шеммирекакединомчетырехмерномпространственно-временном континууме. Но предварительно необходимо понять, что же пред- ставляетсобойсамакатегория«пространственноеизмерение».

Вспомним азы геометрии, изучаемые еще в начальной школе. Основой любой линии, плоскости или пространства является точ- ка. Любую геометрическую фигуру можно описать как определен- ноемножествоточек,имеющихзаданныекоординаты.Однакосама точка представляет собой совершенно уникальный объект – нуле-

9

вое измерение. На самом деле в привычном нам трехмерном про- странстве существуют и привычные координаты этого простран- ства – длина, ширина и высота (впервые координатную плоскость предложил французский философ Рене Декарт). Положение любой точки пространства можно указать, используя эту трехмерную си- стему координат. Тем не менее, несмотря на то, что из точек состав- ляетсяпространство,самойточкинесуществует–покрайнеймере, впривычномнамобыденномпредставлении.Отношениепростран- ства, которое состоит из точек, к бесконечно малым величинам, которые представляют собой эти точки, было достаточно четко зафиксировано еще в V в. до н.э. древнегреческим философом Зено- ном, принадлежавшим к элейской школе. Он представил широкой публике целый ряд логических конструкций, известных под назва- нием «апории» (в дословном переводе – «безвыходные ситуации»). ОднаизсамыхзнаменитыхапорийЗенонаноситназвание«Ахиллес и черепаха». Суть мысленного эксперимента Зенона очень проста. Представим себе, что по дороге с некоторой скоростью Vползет че- репаха,ананекоторомрасстояниизаней(дляпростотысчетамож- но положить его равным 100 м) со скоростью вдвое большей бежит Ахиллес. С точки зрения здравого смысла Ахиллес через некоторое время догонит и перегонит черепаху. Однако в рассуждениях Зено- на все происходит совсем не так: для того чтобы преодолеть 100 м, первоначально разделяющих их, Ахиллесу придется потратить некоторое время, за которое черепаха уползет на 50 м (поскольку ее скорость вдвое меньше, чем у Ахиллеса). Он пробежит эти 50 м, онапроползет25.Ахиллеспробежит25,черепаха–12,5итакдобес- конечности.ОтсюдаЗенонделаетвывод,чтоАхиллесникогданедо- гонит черепаху, поскольку расстояние между ними будет постоян- но сокращаться, достигая бесконечно малых величин, но никогда нестанетравнымнулю,посколькуприделенииодногонатурально- гочисланадругоенольникогдаполучитьсянеможет.

Философский анализ апорий Зенона находится за рамками на- шего обзора, однако с чисто физической точки зрения он дает ве- ликолепную картину того, как из бесконечно малых величин скла- дываются вполне осязаемые длины отрезков. Несмотря на то, что каждаяточкапространстваявляетсятакойбесконечномалойвели- чиной, обладающей нулевым измерением, именно из их множества состоиттопространство,вкотороммывсеобитаем.

Перваягеометрическаяфигура,скотороймыможемиметьдело в реальном мире, – линия (прямая или кривая). Отрезок прямой –

10