Случайность в научной картине Вселенной - Астрономия и современная картина мира

Научная мысль в процессе познания Вселенной всегда включала в себя идею случая. При этом исторически произошли весьма интересные изменения в самой постановке этой проблемы. В первоначальных представлениях о строении и эволюции мира, в первоначальных космогонических теориях идеи о случайности соотносились с исходными состояниями материи, которые затем "породили" наблюдаемые небесные тела и системы. При этих подходах понятие случайности сопрягалось с понятием хаоса, а еще древние рассматривали хаос как одну из первопотенций бытия. Космогоническая гипотеза Канта-Лапласа также исходила из того, что небесные тела возникли из некоторого разреженного и хаотического состояния вещества. В наши же дни представления о случае преимущественно соотносятся с данными о "конечном", наблюдаемом состоянии мира. С позиций современных космологических концепций Вселенная полна неожиданностей и допустимо огромное разнообразие вселенных, а осуществившийся выбор во многом зависит от случайного сочетания значения параметров, ее характеризующих, и в частности, от реального сочетания значений фундаментальных физических постоянных. Мир, в котором мы живем, мог и не быть, его определили случайности.

Идея случая обычно связана с интригующими моментами в нашем познании Вселенной. Чтобы разобраться в реальном состоянии дел, нужно, прежде всего, иметь достаточно ясное представление о том, что же отражает собою эта идея. Последнее тем более интересно, что с развитием познания существенным образом изменились и обогатились наши представления о случайном. В своих исходных посылках случайность определяется как отсутствие закономерности и, - что взаимосвязано, - как непредсказуемость соответствующих явлений и процессов. Зародились представления о случае уже в древности, при самых первых попытках осознания человеком своего бытия. Они стали необходимыми при объяснении поведения человека, его судеб, или же, как сейчас нередко говорят, его жизненной траектории в многомерном мире. И сразу же выяснилось, что случай сопоставлен с необходимостью. Поэтический язык древних воплотил соответствующие представления в образах богинь человеческих судеб: Ананке - неумолимая необходимость, Тихе - слепой случай. И в дальнейшей истории культуры представления о случае длительное время преимущественно связывались с раскрытием основ поведения человека. Наиболее концентрированным образом они высвечивались при раскрытии представлений о свободе воли человека. Свобода воли прерывает те жесткие неумолимые связи и воздействия, в которые вплетен человек, и тем самым позволяет ему стать творцом нового и осознать свою силу и самостоятельность.

Научные основы в понимании случайности стали вырабатываться со времени вхождения теоретико-вероятностных методов в физику, со времени разработки статистических теорий в физике. Физика изучает наиболее глубинные уровни материального мира, а потому ее "слово" в познании случая имеет первостепенное значение: значимость случая в общих воззрениях пропорциональна тому, какую роль он играет в "основаниях" строения мира. Заметим только, что первоначально физика, да и наука в целом, отторгали случай. В рамках первых физических теорий не было места для случайности. Этот период в ее развитии характеризуется как классический. Базисные модели мироздания здесь строятся по образу и подобию классической механики. Все связи и отношения в материальном мире рассматривались наподобие механических, т. е. имеющих строго однозначный, жестко детерминированный характер. Если в научном познании приходили к моделям и решениям, включающим в себя неоднозначность и неопределенность, то соответствующее знание рассматривалось как неполное выражение знаний об исследуемом объекте, лишь как подход к истине или же как результат некорректной постановки задачи.

Что же говорят о случайности статистические теории? Наиболее типичными системами, составляющими предмет исследования в рамках статистических теорий, являются газы, газообразное состояние вещества. Через представления о случайности характеризуется структура этих систем, взаимоотношения элементов систем (молекул газа) друг к другу. Состояния элементов в таких системах максимально независимы и равноправны. Подобная структура наиболее емко выражается словом "хаос". Наиболее хаотическим состоянием систем является состояние с максимальной энтропией, состояние термодинамического равновесия. Соответственно этому, согласно статистическим теориям, структура систем в состоянии термодинамического равновесия и характеризуется как истинное воплощение действия случая. Центральным здесь является понятие независимости. Добавим, что понятие независимости является базовым для теории вероятностей, которая составляет математический аппарат статистических теорий. Как сказано в одном из учебных пособий - "понятие независимости играет в определенном смысле центральную роль в теории вероятностей: именно это понятие определило то своеобразие, которое выделяет теорию вероятностей в общей теории, занимающееся исследованием измеримых пространств с мерой" [1, c. 38].

Понятие независимости является тем существенно новым, чем обогатилось наше понимание случайности в ходе первых попыток науки овладеть идеей случая. Независимость, которая проявляется в статистических теориях, не абсолютна. Она проявляется в массовых явлениях и соотносится с определенного вида необходимостями, в качестве которых выступают представления о (вероятностных) распределениях. Основу статистических теорий и составляет анализ распределений, способов их задания, закономерностей их изменения в процессах взаимодействия соответствующих материальных систем.

В период господства классического естествознания представлениям о независимости практически не уделялось внимания, но эти представления о независимости все настойчивее и определеннее проявляют себя при переходе науки к строгим методам исследования сложных и сложно-организованных систем. Особо сильно они проявляют себя в ходе познания живых систем. Рассматривая проблемы биокибернетики в связи с фундаментальными работами И. И. Шмальгаузена в этой области, Р. Л. Берг и А. А. Ляпунов отмечали: "Независимость - это такое же фундаментальное явление природы, как и наличие взаимозависимости" [2, c. 10].

Встает вопрос - как возможна независимость в мире, где само происхождение и бытие каждого объекта и явления немыслимы вне их взаимодействия и связей с материальным окружением? Как возможно обоснование независимости в мире, где все пронизано связями и взаимодействиями, например, гравитационными взаимодействиями, которые не знают границ? Это особый и сложнейший вопрос. Можно, по-видимому, сказать, что независимость характеризует такие состояния объектов и систем, когда открывается возможность преобладания внутренних сил и связей над внешними. Независимость отражает то, что соответствующие объект или явление обладают некоторой самостоятельной ценностью, имеют нечто свое, не сводимое по содержанию и в своем поведении не зависящее от существования других объектов и явлений.

Случайность и хаос, как ее олицетворение, характеризуют один из аспектов любого эволюционного процесса. В прежних учениях о развитии Вселенной представления о хаосе соотносились лишь с началом эволюционных процессов, либо с их "концом", как это было в концепциях тепловой смерти Вселенной. Подобные утверждения фактически являются абсолютизацией представлений о хаосе. В наше время подобные подходы значительно модернизировались. Представления о хаосе приобрели черты относительности, рассматриваются именно как одно из начал эволюционных процессов и, соответственно, в сопряжении с представлениями о порядке. Если хаос олицетворяется моделью идеального газа в состоянии термодинамического равновесия, то представления о порядке символизируются моделью идеального твердого тела типа идеального кристалла и сопряжены с однозначностью развертывания событий во времени.

Абсолютизация представлений о хаосе означает, что в наших подходах к анализу эволюционных процессов делается упор на идее равновесности как базовой. Подобные представления о хаосе как некотором исходном и основном состоянии материи в литературе получили оценку как один из мифов прошлого, еще владеющем мышлением современного человека. Рассматривая эти вопросы, Ст. Бир пришел к выводу: "Порядок более естественен, чем хаос. Это, мне кажется, весьма неожиданное утверждение, ибо, когда я недавно опубликовал его, ряд читателей написали письма с указанием на "опечатку". Однако это не опечатка. Более того, это утверждение играет для меня действительно важную роль, так как, придя к нему, я порвал с описательными постулатами Гесиода, давившими на мое сознание тяжким грузом почти трехтысячелетней давности. Это утверждение позволило мне совершенно по-новому взглянуть на системы" [3, c. 285]. Соответственно меняются и наши представления о хаосе в эволюционных процессах: "Если мы конструируем структуру реального мира как переход хаос - порядок - хаос, то таковой она и будет, и наши системы должны будут включать в себя огромные управляющие устройства, способные создавать и поддерживать стадию порядка. Но если структуру бытия мыслить как переход порядок - хаос - порядок, то мы получим другое бытие, и наши системы станут в значительной мере самоорганизующимися" [3, c. 286-287].

Легко заметить, что в исследованиях, посвященных эволюционной проблематике, рассматриваются не только процессы образования порядка из хаоса, но и процессы перехода порядка в хаос. Более того, представления об идеальном хаосе и порядке являются предельными, а реальные системы всегда представляют собою своеобразный синтез этих "полярностей". Как утверждают А. В. Гапонов-Грехов и М. И. Рабинович: "...два понятия нелинейной физики - стохастичность и структура... в действительности не являются антиподами. Хаос и порядок могут, в частности, непрерывно трансформироваться друг в друга при изменении параметров системы. Не будет даже большим преувеличением сказать, что не бывает ни абсолютного порядка, ни абсолютного хаоса - это лишь предельные ситуации. Всякая же реальная система пребывает в некотором промежуточном состоянии, и оценивать следует близость этого состояния к одному из предельных, т. е. абсолютному порядку или полному беспорядку" [4, c. 273].

Согласно современным воззрениям представления о порядке выражают относительно устойчивую линию развития, а хаос характеризует периоды и процессы перестройки структур. В ходе своего развития системы как бы колеблются между этими полюсами. Порядок, структуры возникают не вместо хаоса, а через хаос. При этом подобная, конструктивная роль хаоса возможна лишь в ходе сильно неравновесных процессов. Такие подходы навеяны современными методами, и особенно, работами по неравновесной термодинамике, представленными прежде всего работами школы И. Пригожина. "Без неравновесности и связанных с ней необратимых процессов, - пишут И. Пригожин и И. Стенгерс, - Вселенная имела бы совершенно иную структуру. Материя нигде не встречалась бы в заметных количествах. Повсюду наблюдались бы лишь флуктуации, приводящие к локальным избыткам то материи, то антиматерии" [5, c.296]. И далее: "Источником порядка является неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает "порядок из хаоса" [5, c. 357].

Итак, первые научные представления о случайности основывались на ее соотнесении с представлениями о независимости и хаосе. Случайность стала выражать определенный тип связей и зависимостей, который противопоставлялся и дополнялся представлениями о необходимости и порядке. Такое понимание случайности разрабатывалось на базе физики. Оно же было характерным практически для всего развития астрономии и космологии, вплоть до современного этапа, когда космология стала "респектабельной наукой" (Я. Б. Зельдович [6, c. 11]).

Первоначальные применения в астрономии представлений о случайности в форме моделей хаоса относились не к самим законам, описывающим поведение и развитие небесных тел и систем. Они относились прежде всего к характеристике начальных состояний, начальных условий процессов во Вселенной. Последние не выводятся ни из какого закона, а потому и рассматриваются как случайные. Когда речь идет о законах Вселенной, ее строения и эволюции, то здесь еще во многом используются модели жесткой детерминации. Под влиянием достижений классической механики и ньютоновой теории тяготения сложился взгляд на Вселенную как на полностью детерминированную систему. Предполагалось, и эта точка зрения связывалась с именем Лапласа, что познание законов Вселенной позволит нам вполне однозначным образом предсказать всю ее историю, ее прошлое и ее будущее. Более того, и современная теория гравитации - общая теория относительности также культивирует взгляд на Вселенную как на полностью детерминированный объект. Это дало основание П. Девису, автору книги "Случайная Вселенная" [7], сказать в последующей своей книге: "Вселенная - в большей мере продукт закономерности, нежели случая" [8, c. 15].

Тема "Случайность и начальные условия" отображает постановку и решение весьма многих классов задач, возникающих в ходе исследований процессов во Вселенной. Она характеризует, например, саму постановку проблемы возникновения "небольших первичных флуктуаций, давших затем начало галактикам и их системам" [9, c. 179-190].

Новые возможности в анализе роли случайности в познании Вселенной стали раскрываться лишь в сравнительно недавнее время, когда был поставлен вопрос о вхождении идей квантовой физики в теорию гравитации. К подобному синтезу общей теории относительности и квантовой теории наука подошла вполне естественным образом. Как сказал С. Хокинг: "Возможно, общую теорию относительности Эйнштейна следует считать одним из самых великих интеллектуальных достижений ХХ в. Однако она неполна, поскольку относится к классу так называемых классических теорий. Эти теории не учитывают законов квантовой механики - другого величайшего открытия нашего века" [10, c. 99].

Вхождение квантовой идеи в учение о тяготении меняет сам исходный взгляд на Вселенную. Квантовая теория принципиальным образом включает в себя идею случая и через нее в структурные модели Вселенной имманентным образом должна включаться случайность. "Принцип неопределенности означал конец мечтам Лапласа о научной теории, которая давала бы полностью детерминированную модель Вселенной" [11, c. 53].

Квантовая теория существенным образом обогатила наши представления о случайности. В классической физике случайность соотносилась со структурой и поведением массовых процессов, проявлялась непосредственно в системах, состоящих из огромного числа частиц. Согласно квантовой механике отдельные элементарные процессы, процессы атомного масштаба являются принципиально вероятностными, т. е. описываются принципиально неоднозначным образом. Понимание подобного, случайностного характера поведения квантовых объектов ведет к тайнам их внутреннего строения: следует исходить из признания неисчерпаемости внутренних свойств и наличия интенсивной внутренней динамики микрообъектов, что и обуславливает случайностный характер их поведения на квантовом уровне. Случайность стала характеризовать структуру и поведение объектов и систем, обладающих сложной, по крайней мере - двухуровневой иерархической структурой.

Развитие новых представлений о случайности связано далее с интенсивным вхождением уже в наши дни идеи нелинейности в структуру методов исследования природных процессов, с разработкой физических основ явлений самоорганизации. Случайность стала соотноситься с представлениями о крайне неустойчивых и критических состояниях эволюционирующих систем. Неустойчивость стала выступать как своеобразная причина случайности, как основание перестройки материальных структур. Согласно развиваемым новым подходам процессы формообразования, становления новых форм происходят в те моменты времени, когда системы в ходе своих внутренних изменений и усложнений приобретают черты крайней неустойчивости, критичности, что с необходимостью и приводит к качественным преобразованиям. Эти переломные моменты характеризуются рядом существенных особенностей, и прежде всего здесь открываются весьма разнообразные пути и направления таких качественных преобразований объектов и систем. Соответственно, эти точки в историческом развитии систем и процессов называются точками ветвления, точками бифуркаций. В новом свете выглядят и "механизмы" выбора того или иного пути дальнейшей эволюции. В неустойчивых состояниях перестройка структур происходит "спонтанно", на базе отбора тех и иных флуктационных изменений. "Вблизи точек бифуркации, - пишут И. Пригожин и И. Стенгерс, - в системах наблюдаются значительные флуктуации. Такие системы как бы "колеблются" перед выбором одного из нескольких путей эволюции... Небольшая флуктуация может послужить началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит все поведение макроскопической системы" [5, c. 56]. Другими словами, в точках бифуркации наблюдается своего рода "царство случайностей". Следует добавить, что бифуркационная модель случайности уже рассматривалась А. Пуанкаре, который отмечал, что случайность проявляет себя прежде всего в состояниях неустойчивого равновесия [12, c. 320 и след.].

С наличием особых точек, сингулярностей в развитии Вселенной, с их анализом связано интенсивное вхождение квантовых идей в учение о Вселенной, а вместе с ними - и вхождение в это учение идеи случая. "Классическая общая теория относительности, - пишет С. Хокинг, - предсказав точки, в которых плотность становится бесконечной, в каком-то смысле сама предрекла свое поражение в точности так же, как классическая (т. е. неквантовая) механика обрекла себя на провал заключением о том, что атомы должны коллапсировать, пока их плотность не станет бесконечной. У нас еще нет полной теории, в которой общая теория относительности была бы непротиворечиво объединена с квантовой механикой, но зато мы знаем кое-какие свойства будущей теории" [11, c. 59].

Среди таких сингулярностей особо интенсивно исследуются черные дыры и Большой взрыв. Исследования черных дыр, их физических свойств происходят на базе не только теории относительности, но и квантовой теории. В частности, именно привлечение квантовых идей привело к выводу о том, что черные дыры могут испускать излучение. Исследования Большого взрыва, ранней истории Вселенной также немыслимы вне привлечения квантовых идей. Наличие подобных сингулярностей открывает разнообразные возможности, громадный спектр возможностей в дальнейшей эволюции Вселенной, выбор из которых становится делом случая. Как пишет С. Хокинг: "В точке большого взрыва и в других сингулярностях нарушаются все законы, а потому за Богом сохраняется полная свобода в выборе того, что происходило в сингулярностях и каким было начало Вселенной" [11, c. 146].

Следует вообще добавить, что современная наука все большее значение придает анализу подобных особых точек в развитии разнообразных систем. Соответственно такой общей тенденции изменяется и сам предмет астрономии, где "до середины 40-х годов, - пишет, например, И. Л. Розенталь, - в основном изучались квазистационарные объекты, имеющие продолжительность жизни, равную времени существования Вселенной. После 50-х годов центр тяжести исследований сместился в сторону нестационарных или взрывных объектов с весьма разнообразными шкалами времен" [13, c. 37]. Классическая наука практически обходила вниманием подобные особые точки, рассматривая их фактически как своеобразные и неинтересные исключения из общих правил и интересов науки. Однако постепенно развивался и иной подход. Уже Дж. Максвелл, как отмечает М. Клайн, обращал внимание на принципиальное значение изучения особых точек и неустойчивостей и их воздействия на судьбы детерминизма в физике [14, c. 268]. "Факторы неустойчивости, - пишет при рассмотрении этих вопросов М. Клайн, - пробивают брешь в эволюции детерминистического мира: в моменты потери устойчивости безотказно действовавшие ранее законы нарушаются и эффекты, пренебрежимо малые при других обстоятельствах, становятся доминирующими" [14, с. 268]. В наши дни интенсивно разрабатываются методы исследования подобных "узлов" в развитии систем. Помимо учения о диссипативных системах и синергетики здесь следует упомянуть и теорию катастроф, методы которой также активно применяются к анализу особых точек в развитии разнообразных систем, в том числе и к анализу распределения вещества во Вселенной [см., например: 15].

Вопросы неустойчивости стали рассматриваться в учении о Вселенной достаточно широко. В последнее время стала доказываться неустойчивость структуры Вселенной относительно численных значений фундаментальных постоянных: "небольшое изменение фундаментальных постоянных приводит к качественному изменению структуры Вселенной. Это изменение сводится к исчезновению одного или нескольких основных элементов Вселенной: ядер, атомов, звезд и галактик" [13, c. 77]. Соответственно этому "реализованный в нашей Метагалактике набор фундаментальных постоянных - весьма резкая флуктуация" [13, c. 111]. Отсюда и следует вывод, что мы живем в случайном мире, в мире, обязанном редчайшему сочетанию значений фундаментальных постоянных.

Дальнейшие модификации в наших общих представлениях о случайности возможны в связи с развитием учения о физическом вакууме и разработкой квантовой теории гравитации. Согласно современным взглядам вакуум "перенасыщен" короткоживущими виртуальными и спонтанно возникающими и исчезающими частицами, которые непрерывно воздействуют на "обычные" квантовые частицы. "Вакуум следует рассматривать, - пишет П. Девис, - как своего рода "фермент" квантовой активности, кишащий виртуальными частицами и насыщенный сложными взаимодействиями. Очень важно понять, что в рамках квантового описания вакуум играет определяющую роль. То, что мы называем частицами - всего лишь редкие возмущения, подобные "пузырькам" на поверхности целого моря активности" [8, c. 210]. Свойства вакуума дают ключ к пониманию космического отталкивания, к анализу физических сценариев Большого взрыва. На этих же путях стали разрабатываться идеи о первичной энергии Вселенной и пришли к экзотическим представлениям о том, что Вселенная возникла "из ничего".

Поскольку вакуум имеет квантовую природу, то его анализ включает и идею случая, но поскольку учение о вакууме является дальнейшим развитием квантовых идей, то можно предположить, что здесь наука может сказать и новое слово о случае, его природе и основаниях вхождения в учение о мироздании. Весьма существенно, что в учении о вакууме представления о случайности соотносятся с самим фактом существования исходных, фундаментальных частиц, с проблемой рождения Вселенной, с проблемой "порождения материи".

Случайность является одним из важнейших начал мира. Принципы строения и эволюции природы в своих (физических) основах имеют и жесткое, и пластичное начала, и оба они необходимы для целостного анализа реальных процессов и систем. Жесткое начало характеризуется однозначными, неизменными связями, непреодолимо наступающим действием. Случайность олицетворяет гибкое начало мира и сопряжена с такими понятиями как независимость, неопределенность, непредсказуемость, спонтанность и хаотичность. Астрономия интенсивно развивает эволюционный подход и понятие случайности служит тому, чтобы раскрыть основания становления нового, ибо новое всегда несет на себе черты неожиданности, которых не было в его предыстории. Невольно вспоминается пушкинское: "Случай - бог изобретатель".

Случайность в научной картине Вселенной - Астрономия и современная картина мира

Похожие статьи