Случайность в научной картине Вселенной

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”.

Философско-мирровоззренческие проблемы космологической эволюции.

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной — зависит от конкретных эмпирических исследований и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная конечной или бесконечной, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу бесконечной ее модели. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась с "большого взрыва". Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства — времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала "большого взрыва", составило бы 13 млрд. лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначально "горячей" модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не наблюдались и не анализировались в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены.