Общая теория относительности предлагает объяснение этому любопытному явлению. Она считает, что вселенная имеет конечные размеры — не в том смысле, что она имеет край, за которым находится нечто, что не является уже частью вселенной, но что она является сферой, имеющей три измерения, в которой самые прямые из возможных линий возвращаются со временем к исходному пункту, как на поверхности Земли. Теория предусматривает, что вселенная должна быть или сжимающейся, или расширяющейся; она использует наблюденные факты относительно туманностей для решения вопроса в пользу расширения. Согласно Эддингтону, вселенная удваивается в размерах каждые 1300 миллионов лет или около того. Если это так, то вселенная была некогда совсем маленькой, но будет со временем довольно большой.
Это приводит нас к вопросу о возрасте Земли, звезд и туманностей. По основаниям, являющимся в значительной степени геологическими, возраст Земли оценивается цифрой приблизительно в миллиард лет. Возраст Солнца и других звезд все еще является предметом спора. Если внутри звезды материя уничтожается в процессе трансформации электронов и протонов в излучение, то звезды могут иметь возраст в несколько тысяч миллиардов лет; если же нет, тогда только в несколько тысяч миллионов. В процессе превращения электронов и протонов в излучение происходит превращение одного вида материи вещества в другой вид материи — поле. В целом последнее мнение, по-видимому, преобладает.
Имеется даже некоторое основание думать, что вселенная имела начало во времени; Эддингтон считал, что ее возраст приблизительно 90 миллиардов лет. Это, конечно, больше тех 4004 лет, в которые верили наши предки, но это все же конечный период, который снова ставит все старые вопросы относительно того, что же было до его начала.
Результат этого суммарного обзора астрономического мира таков, что, в то время как этот мир, конечно, чрезвычайно велик и очень древен, имеются все же основания — хотя пока все-таки весьма умозрительные — думать, что он и не бесконечно велик и не бесконечно стар. Общая теория относительности претендует на то, что она может сказать нам кое-что о вселенной в целом посредством остроумного смешения наблюдения с рассуждением. Если все это действительно так, как она говорит, — а я никоим образом не убежден, что это так, — тогда увеличение шкалы как пространства, так и времени, которое до сих пор характеризовало астрономию, имеет свои границы — причем такие, которые находятся в пределах доступного нам исчисления. Эддингтон считает, что окружность вселенной измеряется числом порядка 6 миллиардов световых лет. Если это так, то телескопы, несколько лучшие, чем наши теперешние, могли бы дать нам возможность «уловить эту жалкую схему всего, что только есть». Уже по началу можно предвидеть, что мы можем вскоре «разбить ее вдребезги». Но я не думаю, что мы сможем «сделать ее отвечающей нашим сокровенным желаниям».
ГЛАВА 3
МИР ФИЗИКИ
Самой прогрессирующей наукой в наши дни, причем такой, которая, по-видимому, бросает больше всего света на структуру мира, является физика. Эта наука по-настоящему начинается с Галилея, но чтобы должным образом оценить его деятельность, следует коротко рассмотреть то, что думали до него.
Схоласты, чьи взгляды в основном были заимствованы у Аристотеля, думали, что небесные и земные тела подчиняются разным законам и что это же различие имеет место в отношении живой и мертвой материи. Они считали, что мертвая материя, во всяком случае в земной сфере, предоставленная самой себе, постепенно потеряет всякое движение, которое она могла иметь. Все живое, согласно Аристотелю, имеет своего рода душу. Растительная душа, которой обладают все растения и животные, делает возможным только процесс роста; животная душа является причиной движений. Имеются четыре элемента земля, вода, воздух и огонь, — из которых земля и вода являются тяжелыми, а воздух и огонь — легкими. Земля и вода имеют естественное движение вниз, а воздух и огонь — столь же естественное движение вверх. В самых высоких сферах неба имеется также пятый элемент, некий род очищенного огня. Не было мысли об одной группе законов для всех видов материи и не существовало науки об изменениях в движении тел.
Галилей и — в меньшей степени — Декарт ввели основные понятия и принципы, которые вполне удовлетворяли физику до настоящего столетия. Казалось, что законы движения одни и те же для всех видов мертвой материи, а, возможно, также и для живой. Декарт считал, что животные являются автоматами и что их движения могут быть теоретически вычислены с помощью тех же принципов, которые управляют падающим куском свинца. Среди физиков превалировал взгляд, во всяком случае в качестве рабочей гипотезы, что вся материя гомогенна и что единственно важным с научной точки зрения ее свойством является положение в пространстве. По теологическим основаниям человеческие тела часто (но не всегда) освобождались от жесткого детерминизма, к которому, по-видимому, вели физические законы. Здесь автор под «жестким детерминизмом имеет в виду механистический детерминизм, к которому вели не определенные законы классической физики, а одностороннее, метафизическое их истолкование с позиций механистического материализма. За этим возможным исключением научная ортодоксия сочла возможным согласиться со взглядом Лапласа, что вычислитель, обладающий достаточными математическими способностями и данными о положении, скорости и массе каждой частицы во вселенной в определенный момент времени, может вычислить все прошлое и будущее физического мира. Если, как некоторые думали, иногда и случаются чудеса, то они находятся вне сферы науки, поскольку они по своей природе не подчинены закону. На этом основании даже тот, кто верил в чудеса, не согрешал против научной строгости в своих вычислениях.
Галилей ввел два принципа, которые больше всего содействовали возможности математической физики: закон инерции и закон параллелограмма. Кое-что следует сказать о каждом из них.
Закон инерции, известный как первый ньютоновский закон движения, утверждает в формулировке Ньютона, что:
«Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».
Понятие «силы», играющее весьма большую роль в произведениях Галилея и Ньютона, оказалось излишним и было устранено из классической динамики в течение XIX века. Это привело к необходимости по-новому сформулировать закон инерции. Но рассмотрим сначала этот закон в его отношении ко взглядам, преобладавшим до Галилея.
Всякое движение на земле имеет тенденцию ослабевать и, наконец, прекращаться. Шары, катящиеся даже по самой гладкой поверхности, через некоторое время останавливаются: камень, брошенный на лед, не скользит по нему без конца. Небесные тела, правда, движутся по своим орбитам без какой-либо заметной потери скорости, но их движения не являются прямолинейными. Согласно закону инерции, замедление камня на льду и криволинейные орбиты планет объясняются не чем-то, присущим их собственной природе, а действием окружающей обстановки.
Этот принцип привел к возможности рассматривать физический мир как замкнутую систему. Вскоре оказалось, что в каждой динамически независимой системе — например, такой, как Солнце и планеты, — количество движения или момент движения в каждом направлении с очень большим приближением оказывается постоянным. Таким образом, вселенная, приведенная однажды в движение, будет оставаться в движении всегда, если ее не остановит чудо. Аристотель думал, что планеты нуждаются в богах, которые двигали бы их по их орбитам, и что движения на земле могли самостоятельно начаться у животных. Движения в материи, согласно этому взгляду, могут быть объяснены только из нематериальных причин. Закон инерции изменил это воззрение и сделал возможным исчисление движений материи посредством одних только законов динамики.