Тема 29. Конечное и бесконечное в космологии

Бесконечность мира в пространстве и времени. — Ин­тенсивная и экстенсивная бесконечность. — Космоло­гические антиномии И. Канта и их современная интер­претация. — Философские основания идеи бесконечно­сти Вселенной. — Проблема бесконечности Вселенной в релятивистской космологии. — Космологические мо­дели Вселенной.

Нет краев у нее и нет ни конца, ни предела, И безразлично, в какой ты находишься части Вселенной: Где бы ты ни был, везде, с того места, что ты занимаешь, Все бесконечней она остается во всех направлениях... Лукреции Кар. О природе вещей

Неисчерпаемость материи вглубь охватывается представ­лением об интенсивной бесконечности. Существование ин­тенсивной бесконечности говорит о том, что в природе нет абсолютно элементарных, не имеющих внутренней структу­ры объектов. При изучении микрочастиц становится ясно, что интенсивная бесконечность не может рассматриваться про­сто как бесконечная делимость материи на все более мелкие части. Взаимопревращаемость частиц доказывает их более сложную природу.

Экстенсивная бесконечность в отличие от интенсивной уходит не вглубь, а вширь, за пределы данного объекта, в мир "большого". Это как бы бесконечность вне объекта. Здесь наиболее важной оказывается проблема зависимости свойств и качеств объекта от системы взаимодействий с окружающи­ми вещами. В действительности же существует одна бесконеч­ность, которая может быть понята как интенсивная или экстен­сивная в связи с тем направлением, в котором концентриру­ются познавательные усилия. Экстенсивная и интенсивная

303

бесконечность — это своеобразные проекции реальной бес­конечности. Их можно уподобить проекциям геометрической фигуры на оси координат.

В понимание конечного и бесконечного много нового вне­сла космология. Как научная дисциплина, космология иссле­дует структуру и свойства Вселенной и ставит проблему про­странственно-временной бесконечности. Веками и тысячеле­тиями складывались представления о бесконечности мира в пространстве и времени. Они уходили своими истоками в ан­тичную натурфилософию и космогонию. В базировавшейся на ньютонианской физике космологии 18 в. были сформули­рованы веские теоретические обоснования идеи бесконечно­сти. Появление теории относительности принципиально пре­образовало космологическую проблематику. В возникшей в связи с общей теорией относительности релятивистской кос­мологии, бурное развитие которой датируется вторым деся­тилетием 20 в., оказалось возможным строить как бесконеч­ные, так и конечные в пространственно-временном отноше­нии модели Вселенной.

Впрочем, еще в антиномиях Канта делались попытки с рав­ным успехом как доказать, так и опровергнуть идею конечнос­ти или бесконечности мира. Если мир имеет начало во време­ни, значит существовало чистое время, в котором до начала мира ничего не было, но из этого "ничего" не мог возникнуть мир. Если предположить, что мир не имеет начала в простран­стве и времени, из этого следует, что до сегодняшнего момента прошла бесконечность, т.е. всякому событию предшествовал бесконечный период времени, а сегодня он кончился, и Вселен­ная почему-то возникла в данный момент времени, что также маловероятно. Как же быть?

Поскольку релятивистская концепция Вселенной рассматри­вала всю мыслимую материальную Вселенную, то идея ее "на­чала" вела, казалось, к полному перевороту и отрицанию идеи бесконечности. Утверждения космологов-релятивистов о един­ственности и всеохватности нашей расширяющейся Вселенной-

304

Метагалактики напоминало многократно повторяемые в про­шлом заявления о единственности Земли со светилами вокруг нее, единственности Солнечной Системы или Галактики... На самом деле космологические модели Вселенной, хотя и строи­лись с целью объяснения мира в целом, объясняли лишь неко­торый его фрагмент, описывали локальную область универсу­ма. Космологические представления относительно конечнос­ти-бесконечности пространства и времени, проинтерпретиро­ванные как относящиеся к данной локальной области и не рас­пространяющиеся на все мировое пространство и время, идею бесконечности не опровергали.

Современный этап развития космологии характеризуется приоритетами релятивистской космологии. Релятивистская космология не претендует на законченное описание мира в целом, но исследует конечное и бесконечное применительно к нашей Вселенной со стороны ее физико-пространствен­ной структуры. У истоков релятивистской космологии сто­ят А. Эйнштейн и А. Фридман.

Через год после создания в 1917 г. общей теории относитель­ности Эйнштейн построил первую релятивистскую модель Все­ленной. Он исходил из следующих предположений.

1. Вещество и излучение распределено во Вселенной в це­лом равномерно. Отсюда следует, что пространство Вселен­ной однородно и изотропно. Хотя вблизи массивных объек­тов геометрия пространства- времени изменяется, это изме­нение — лишь незначительное отклонение от однородного изотропного пространства Вселенной, обладающего постоян­ной кривизной.

2. Вселенная стационарна, неизменна во времени. В связи с этим геометрия пространства не может иметь эволюцию. Мир Эйнштейна обычно называют "цилиндрическим", так как его можно представить в виде бесконечно протяженного че­тырехмерного цилиндра. Вдоль образующей цилиндра прости­рается ось времени, она неограниченно направлена как в про­шлое, так и в будущее. Сечение цилиндра дает пространство.

20-Т.Лешкевич 305

В данной модели — это трехмерное сферическое простран­ство с постоянной положительной кривизной. Оно имеет ко­нечный объем. Это не следует понимать так, что имеется ка­кой-то "край света", за которым ничего не существует. Про­сто пространство, выражаясь фигурально, "замыкается само на себя", благодаря чему в нем можно бесконечно кружить, никогда не наталкиваясь на преграду.

Однако "цилиндрический мир" Эйнштейна уже в прошлом. Его попытки построить стационарную модель Вселенной в на­стоящее время рассматриваются как дань традиционным пред­ставлениям о неизменном существовании Вселенной в вечнос­ти. Нужно обратить внимание и на тот факт, что стационарная модель Вселенной получена Эйнштейном на основании специ­ального допущения.

Более современное решение этой космологической пробле­мы было дано советским математиком А. Фридманом и разви­то бельгийским космологом М. Леметром. Фридман отказался от предположения о стационарности мира, сохранив постулат его однородности и изотропности. При этом стали возможны три решения:

1. Если плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, то пространство является эв­клидовым, т.е. обладает нулевой кривизной, и мир бесконечен.

2. Если плотность меньше критической, то пространство Все­ленной описывается геометрией Лобачевского, оно обладает от­рицательной кривизной и бесконечным объемом, открыто и вы­глядит как седловина.

3. Если же плотность вещества во Вселенной больше крити­ческой, то пространство имеет положительную кривизну, оно безгранично, но объем его конечен. Мир оказывается замкнут и конечен. Он описывается геометрией Римана.

Мнения ученых расходятся. Одни приняли гипотезу бесконечно расширяющейся Вселенной и считают, что со­гласно концепции "Большого взрыва", около 17—20 мил­лиардов лет назад Вселенная была сконцентрирована в

306

ничтожно малом объеме в сверхплотном сингулярном со­стоянии. Произошедший "Большой взрыв" положил начало расширению Вселенной, в процессе которого плотность ве­щества изменялась, кривизна пространства разглаживалась. Другие считают, что на смену расширению вновь придет сжа­тие и весь процесс повторится. На этом основании выдвига­ется гипотеза пульсирующей Вселенной, в которой прибли­зительно каждые 100 миллиардов лет все начинается с "Боль­шого взрыва". В одной из наиболее поражающих воображе­ние гипотез предполагается, что в результате "начального взрыва" в гравитационном сверхпространстве из сингуляр­ного состояния возникла не одна наша Метагалактика, а мно­жество метагалактик. Каждая из которых может иметь самые разнообразные значения всех физических параметров: про­странство особой топологии (локально открытое или локаль­но замкнутое с разным количеством измерений) и свое кос­мологическое время (возможно, неодномерное)¹⁶.

В современных концепциях "множественных миров" рису­ется удивительная картина Вселенной. И это согласуется с ос­новным положением фундаментальной философии, согласно которому пространственно-временную бесконечность матери­ального мира следует понимать не в смысле метрической бес­конечности, а как неисчерпаемое разнообразие пространствен­но-временных структур материи.

Вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться или начнет­ся процесс сжатия, остается открытым. Хотя явление "красно­го смещения" в настоящее время является общепризнанным фактом, свидетельствующим об удалении источника излуче­нии, т.е. о том, что галактики "разлетаются" со скоростями, примерно пропорциональными расстоянию до них. В 1912 г. В.М. Слайфер открыл смещение спектральных линий излуче­ния внегалактических туманностей к красному концу спект­ра — так называемое "красное смещение". Спустя некоторое время (в 1929 г.) Эдвин Хаббл установил закон, согласно кото­рому, чем дальше от наблюдателя находится туманность, тем

307

больше величина "красного смещения", тем больше скорость, с которой она удаляется от него. И на больших расстояниях ско­рости галактик достигают гигантских значений.

Тем не менее существует теоретическая возможность того, что наряду с расширением можно предположить мо­дель сжимающейся Вселенной или даже пульсирующей Вселенной, в которой конечная в пространстве, но беско­нечная во времени Вселенная попеременно то расширяет­ся, то сжимается.