Попыткой ответа на вопрос, что же объясняет существование сложной структуры Вселенной, стало применение антропного принципа , согласно которому наша Вселенная обладает наблюдательными свойствами именно потому, что эти свойства допускают возможность существования наблюдателя, т.е. человека.
Антропный принцип впервые в 1958 г. был предположен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.
Слабый антропный принцип . На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.
Сильный антропный принцип . Свойства Вселенной должны быть такими, что бы в ней обязательно была жизнь.
Согласно этим принципам, между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Фундаментальные свойства мира количественно выражаются через фундаментальные постоянные, и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной и самой жизни во Вселенной. Таким образом, антропный принцип по сути превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного, в центральный, приоритетный. Согласно антропному принципу, «любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна».
Заметим также, что антропный принцип не отвергает возможности существования других Вселенных. Однако эволюция может происходить без наблюдателей, и, следовательно, жизнь в нашем понимании в них невозможна. При использовании антропного принципа появляется возможность моделировать другие допустимые Вселенные, что, с точки зрения современной физики, доказывает существование множества миров.
Кроме того, антропный принцип приводит к мировоззренческим уточнениям не только по множественности обитаемых Вселенных, но и по множественности существования жизни в нашей Вселенной. Наша Вселенная чрезвычайно тонко приспособлена для возникновения и существования жизни. Можно было бы подумать, что это относится к отдельной достаточно крупной, но все же локальной области Вселенной, где в силу случайной флуктуации создались условия, необходимые для существования жизни. Но как мы уже говорили, предполагается, что Вселенная однородна и изотропна, т.е. ее свойства в больших масштабах одинаковы.
Следовательно, когда мы говорим о чрезвычайно тонкой приспособленности Вселенной для жизни, речь идет не о локальных областях, а обо всей Вселенной в целом. Таким образом, применение антропного принципа приводит к выводу о закономерном возникновении и широкой распространенности жизни и разума во Вселенной. Антропный принцип, с точки зрения физики и философии, отвергает возможность уникальности земной жизни.
Вопросы для самоконтроля:
1. Приведите теоретические и экспериментальные доказательства нестационарности Вселенной.
2. В чем заключается суть гипотезы инфляционной Вселенной?
3. Приведите классификацию галактик по форме. К какому типу галактик относится Млечный путь?
4. Приведите схему эволюции звезд.
5. Какие концепции объясняют происхождение планет Солнечной системы?
6. В чем заключается антропный принцип?
В этой статье речь пойдет о хорошо известном мировоззренческом понятии, связанном с самим фактом нашего существования. Термин «антропный принцип» фигурирует довольно часто, но столь же часто он трактуется некорректно и путается с антропоцентризмом. Начнем с того, что существуют как минимум два антропных принципа - сильный и слабый. Это написано в любой «Википедии», хотя подавляющее большинство, произнося «антропный принцип», имеет в виду его слабый вариант. Поэтому мы сначала «разделаемся» с сильным антропным принципом, чтобы больше к нему не возвращаться.
Человек - творец и вершитель?
К его формулировке приложил руку замечательный физик Джон Уилер (John Wheeler ), создатель многих прекрасных метафорических терминов, в том числе таких популярных, как «черная дыра», «квантовая пена», «кротовая нора» (в оригинале - „wormhole“ - «червоточина»). Вот фраза, приписываемая Уилеру: «Наблюдатели необходимы для обретения Вселенной бытия» (1983). То есть, чтобы Вселенная реализовалась, в ней должен появиться разумный наблюдатель. Следовательно, возможны только такие вселенные, которые подходят для возникновения жизни и разума. По крайней мере с первого взгляда выглядит чепухой. По мнению авторов данной статьи, это и есть чепуха. Таково наше консолидированное мнение, невзирая на то что статус выдающегося физика Уилером честно заслужен. С кем не бывает... Причем понятно, откуда у этой концепции растут ноги - из интерпретации квантовой механики, включающей наблюдателя как вершителя исхода взаимодействий в микромире.
Этой проблеме посвящен знаменитый парадокс про кота Шрёдингера. Сам Шрёдингер выдвинул его, чтобы показать: существующая интерпретация квантовой механики неадекватна. Если ее строго придерживаться, то возникает подобная чушь - суперпозиция живого и мертвого котов, разрушаемая лишь наблюдением того, кто откроет ящик.
Откуда взялась эта зловредная роль наблюдателя? Видимо, это связано с проблемой коллапса (редукции) волновой функции - действительно сложного и плохо понимаемого явления. Для ознакомления с проблемой можно порекомендовать и его же статью в УФН . Наиболее сильное высказывание Липкина по поводу роли наблюдателя:
«Что такое сознание - никто толком не знает, но именно поэтому на него можно свалить всё».
Мы явно переоцениваем свое значение, когда берем на себя роль вершителя что судьбы кота, что судьбы Вселенной. Кстати, а кто был первым наблюдателем, реализовавшим Вселенную? Галилей? Древние греки? Некий Homo erectus или волк, воющий на Луну 20 млн лет назад? У него ведь тоже есть сознание, не такое уж и примитивное.
Над сильным антропным принципом можно издеваться долго и смачно, но лучше мы с экономим место для слабого антропного принципа - серьезной и в каком-то смысле плодотворной концепции. Дальше мы опускаем эпитет «слабый» и говорим просто об антропном принципе.
Наше хрупкое благополучие
Начнем с хорошо известных доводов в пользу того, что наша Вселенная будто специально подогнана под наше существование и вообще под существование сложных систем и процессов.
Наш мир сформирован значениями физических констант. Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, гравитационная постоянная, массы частиц, которые, в свою очередь, определяются константами взаимодействий с полем Хиггса. Они не выводятся (пока?) из каких-либо более общих принципов. Их значения выглядят совершенно произвольными - мы знаем их из измерений, но не из формул. От них зависит всё.
Например, возможны ли в природе большие молекулы? Для этого должен существовать легкий электрон (много легче протона), а константа электромагнитного взаимодействия должна быть достаточно мала. Масса протона напрямую зависит от константы сильных взаимодействий; разница в массе протона и нейтрона - от масс кварков.
От соотношения масс электрона, протона и нейтрона вместе с электромагнитной постоянной зависят плотности всех веществ, возможность сложной химии, существование жидких и твердых тел, планет и гор на них, размеры живых существ и так далее. Эти зависимости прекрасно разобраны в книге «The Anthropic Cosmological Principle» , к сожалению, не переведенной на русский. Ниже приведены некоторые примеры, заимствованные из этой книги.
Стоит хоть немного «пошевелить» константы взаимодействий, как мир меняется. Причем, как правило, он меняется настолько, что получится не просто иная среда обитания и виды живых существ, - вся Вселенная становится непригодной для любой формы жизни.
Согласимся, что если нет химических элементов и атомов или если таблица Менделеева сводится всего лишь к четырем-пяти заполненным клеткам, если не горят звезды и не конденсируются небесные тела, если Вселенная представляет из себя однородный разреженный газ, то невозможна любая жизнь.
Проблема в том, что диапазон констант (точнее, объем в многомерном пространстве констант), в котором возможны сложные системы и жизнь, удручающе мал.
- Если бы нейтрон был чуть полегче или протон чуть потяжелей, то во Вселенной после Большого взрыва протоны бы распались и остались бы одни нейтроны. Не было бы ни сложных структур, ни атомов вообще. Пустыня!
- Если бы нейтрон был немного тяжелее, чем на самом деле, то нейтроны в атомных ядрах распадались бы, т. е. ядер бы попросту не было. Никакой таблицы Менделеева, никакой химии, один водород был бы стабилен.
- Хрестоматийный пример, фигурирующий в : если немного увеличить константу сильных взаимодействий, появляется стабильный дипротон (2 He). Существование дипротона ужасно тем, что он очень легко добирает барионы до гелия-4, который очень крепко связан. Весь водород Вселенной перешел бы в гелий - и мир остался бы без основного термоядерного горючего. До подобной катастрофы в потенциале взаимодействия двух протонов не хватает всего 92 кэВ . На самом деле пример не совсем верный. Дело в том, что, как сейчас известно, мы не можем произвольно изменить потенциал взаимодействия протонов - он зависит от константы квантовой хромодинамики, от которой также зависят массы барионов. Если ее изменить - «поплывет» всё. Тем не менее, пример демонстрирует, насколько хрупко наше благополучие. Он же показывает, насколько аккуратным и осторожным надо быть даже в мысленных экспериментах.
- Довольно удивительный факт: у ядра углерода есть резонанс, предсказанный Фредом Хойлом (Fred Hoyle ), который на порядки повышает вероятность синтеза ядра углерода из трех ядер гелия. Энергия резонанса складывается из комбинации сильной и электромагнитной констант, а также зависит от массы кварков. Если немного изменить эту энергию, то цепочка синтеза элементов обрывается. Во Вселенной почти исчезнет углерод, кислород и прочие элементы, на которых основана жизнь, которые составляют космическую пыль, из которой, в свою очередь, конденсируются планеты земного типа.
- Идем в самую раннюю Вселенную. После Большого взрыва остались неоднородности от предшествующей стадии ее эволюции, будь то стадия космологической инфляции или что-либо еще. Исходная величина этих неоднородностей в момент образования горячей Вселенной ~ 10– 5 (относительно средней плотности). Если бы амплитуда неоднородностей была в несколько раз меньше, галактики не успели бы образоваться. Если бы она была в несколько раз больше, галактики оказались бы слишком массивными и плотными, что тоже фатально - частые взрывы сверхновых, большая вероятность отрыва планет от родительских звезд. При этом амплитуда неоднородностей ниоткуда не следует. В рамках теории космологической инфляции неоднородности возникают как квантовые флуктуации «тяжелого» вакуума и зависят от природы последнего - от его плотности, от формы потенциала. Эти параметры тоже не вытекают из каких-либо известных принципов.
Видимо, этих хрестоматийных примеров достаточно, чтобы убедить читателя, что нам удивительно повезло. Возможно, это натолкнет кого-то на мысль, что константы взаимодействий устанавливал некий заботливый Творец. Однако существует гораздо более прозаичное объяснение. Оно и называется «антропный принцип».
Бесконечное множество вселенных
Представим себе, что существует огромное (даже бесконечное) множество вселенных. Тут есть некая терминологическая неоднозначность. Можно понимать под словом «Вселенная» всё сущее, и тогда мы должны говорить о разных частях Вселенной. Однако эти разные части Вселенной, скорей всего, при рождении «окуклились» в замкнутые, причинно не связанные друг с другом пространства, к которым тоже применяют термин «вселенные» (только с маленькой буквы). Ниже мы будем следовать второму варианту терминологии, понимая под «Вселенной» наше связное замкнутое пространство 3+1 измерений, а под «вселенными» понимать аналогичные образования не обязательно той же размерности.
Далее представим себе, что во множестве вселенных - разные константы взаимодействий, разные наборы частиц. В том числе где-то, включая нашу Вселенную, набор констант оказался благоприятным для появления жизни. В одной из таких вселенных появился разумный наблюдатель, разобравшийся в местной физике, и удивляется, как всё хорошо настроено. А там, где всё настроено плохо, никто и не появился. Значит, любой наблюдатель будет видеть набор физических констант, благоприятных для своего появления, сколь бы ни был мал благоприятный объем в пространстве параметров.
Это очень похоже на историю нашего появления в Солнечной системе на Земле. Здесь тоже немало удачных совпадений: нужное расстояние до звезды, нужное количество воды, глобальная тектоника, крупный спутник, планета-гигант на нужной орбите - всё это благоприятные условия. Но в данном случае мы точно знаем, что существует великое множество разных планетных систем с разными планетами, и не удивляемся благоприятным совпадениям.
Значит ли это, что антропный принцип сам по себе намекает на существование огромного множества разных вселенных? Конечно! Не доказывает в строго математическом смысле, но служит сильным доводом.
А есть ли в современной физике другие указания на множественность вселенных? Да, существует концепция вечной космологической инфляции, которая как раз описывает механизм рождения неограниченного числа вселенных. Что такое космологическая инфляция? Ей посвящена целая книга одного из авторов данной статьи под научной редакцией другого автора .
Если коротко, это механизм образования огромной однородной и изотропной вселенной из микроскопического зародыша. И этот самый механизм в большинстве вариантов теории плодит бесконечное множество вселенных, будучи не в силах остановиться. Это становится ясным, если к уравнениям общей теории относительности добавить квантовые эффекты. Это будет еще не то, что называется «квантовой гравитацией», здесь всё гораздо проще, так как квантовые эффекты относительно слабы.
На вечную инфляцию натолкнулся Пол Стейнхардт (Paul Steinhardt) в начале 1980-х, когда теория космологической инфляции еще только формировалась. Он обратил внимание на то, что космологическая инфляция в том варианте, который был популярен в то время, не может благополучно закончиться образованием вселенной. Мешают квантовые флуктуации вакуума - инфляция продолжается раздуванием новых и новых областей пространства. Стейнхардт решил, что это фатальный недостаток теории.
В 1986 году Андрей Линде обнаружил, что тот же самый эффект происходит и в более реалистичном варианте теории под названием «хао тическая инфляция». Но в отличие от Стейнхардта он осознал, что это важнейшее явление, объясняющее фундаментальную мировоззренческую проблему.
Итак, если верна теория космологической инфляции (а в ее пользу говорят несколько фактов, обнаруженных с помощью космических микроволновых телескопов WMAP и «Планк»), то в качестве неизбежного приложения к этой теории мы имеем вечную инфляцию - процесс рождения бесконечного числа вселенных.
В этой статье, посвященной антропному принципу, мы не можем детально объяснить, как работает космологическая инфляция в обычном и вечном вариантах. Об этом достаточно много написано, в частности, в упомянутой книге . Рекомендуем прочитать интервью с Андреем Линде , где он среди прочего рассказывает, как натолкнулся на вечную инфляцию; оно опубликовано в той же книге и еще в ТрВ-Наука .
Где Бог играет в кости?
Итак, в физике есть прямые указания на бесконечное множество вселенных. Но еще нужно, чтобы они имели разные наборы физических констант: вселенные-клоны, скорее всего, будут одинаково непригодны для жизни. Где-то на каком-то этапе «сотворения» вселенных Бог должен играть в кости. Где именно?
Здесь просматривается две возможности. Первая - фазовые переходы в ранних вселенных. Они меняют физику, как изменил ее фазовый переход с полем Хиггса - многие частицы приобрели массы, и мир стал сложен и интересен. То был фазовый переход с предопределенным концом, но в самой ранней Вселенной есть место для других фазовых переходов, основанных на новой, еще не известной нам физике. И у них может быть непредсказуемый исход, как непредсказуем ледяной узор на стекле.
Вторая, более популярная возможность связана с теорией струн. Струны «живут» как минимум в одиннадцатимерном пространстве. Иначе теория страдает неустранимыми противоречиями. Чтобы получить из 11 измерений наши 3+1, надо свернуть лишние измерения в трубочки микроскопического радиуса, например планковского ~ 10 –33 см (это сворачивание называется «компактификацией»). Это можно сделать гигантским числом способов, причем каждый способ дает свой вариант вакуума, в котором возникает своя физика со своими константами взаимодействий. Оценка числа альтернатив - 10 500 ! Кстати, если вы встречаете в СМИ утверждения типа «британские ученые доказали, что число вселенных равно 10500», не удивляйтесь, это просто в одном из звеньев испорченного телефона по недосмотру технического редактора степень съехала в строку.
Но как встроить в вечную инфляцию это случайное бросание костей, как устроить перестройку теоретико-струнного вакуума? Вроде бы теория струн дает такой механизм. Вечная инфляция возможна потому, что квантовые флуктуации могут увеличивать плотность вакуума. Когда она приближается к планковской (10 95 г/см 3), квантовые флуктуации могут быть столь сильными, что меняется топология пространства, меняется вариант компактификации, а с ним и физика в некой микроскопической области пространства, которая потом разовьется в большую вселенную. Это как раз то самое «бросание костей», необходимое для претворения антропного принципа в жизнь.
На теорию струн возлагаются очень большие надежды, но она до сих пор остается висеть в воздухе: из нее нельзя вывести ни одного проверяемого предсказания. Беда заключается именно в неимоверном числе 10 500 . Мы не знаем, в каком именно варианте из 10 500 вакуумов мы живем, и нет никаких инструкций, как найти этот вариант. И все-таки эта теория так или иначе намекает на богатство и разнообразие бытия.
Когда антропный принцип оказывается капитуляцией
В приведенных выше примерах с тонкой подстройки физических констант последние принимают ничем не примечательные значения. Что такое константа электромагнитного взаимодействия 1/137? Это число ничем не выделяется кроме того, что в сочетании с другими константами благоприятно для жизни. А если какая-то величина принимает какое-то выделенное значение? Например, оказывается удивительно близка к нулю или к единице (что-то равно чему-то). Казалось бы, надо искать какой-то закон, объясняющий, почему это произошло. А если такой закон не удается найти?
Плотность энергии вакуума (темной энергии) в нашей Вселенной очень мала - 10 –8 эрг/см 3 . Именно от этой плотности зависит ускоренное расширение Вселенной. А какой она должна быть из теоретических соображений? Любой, вплоть до планковской плотности - на 120 порядков больше, чем она есть. Каким образом она оказалась столь малой? Непонятно. И здесь возникает соблазн...
Если бы плотность энергии вакуума (космологическая постоянная) была близкой к своему естественному теоретико-струнному значению, то нас бы не существовало. Вселенная либо продолжала бы вечно расширяться с огромным ускорением, либо бы мгновенно схлопнулась. Допустимое значение плотности темной энергии всего на порядок выше, чем она есть на самом деле.
А не привлечь ли антропный принцип для объяснения этой малости? Пусть где-то в ходе вечной инфляции случайным образам выпадает космологическая постоянная будущей вселенной - равномерно от 10 120 до -10 120 от ее нынешнего значения. Тогда в одной из 10 120 вселенных она окажется достаточно малой, чтобы в ней мог появиться наблюдатель. Расточительно? Да, но у нас есть 10 500 вариантов, скинем 120 порядков, всё равно остается гигантское число! Многих космологов этот аргумент вполне удовлетворяет.
Возразить нечего. Впрочем, недавно такой же загадкой казалась близость плотности Вселенной к критической. Это требовало тонкой настройки в ранней Вселенной с точностью 10 -60 . Почему бы и здесь не воспользоваться антропным принципом? Ведь если сбить эту настройку, Вселенная бы уже сколлапсировала или разлетелась на отдельные атомы. Но решение было найдено - космологическая инфляция автоматически дает плотность, равную критической.
Здесь нет твердых аргументов, есть только некоторые стратегические соображения. По нашему убеждению, пока не все возможности отвергнуты, пока остается надежда найти ответ - надо искать, не полагаясь на антропный принцип. Свалить 120 порядков величины на антропный принцип - это своего рода капитуляция! Упование на антропный принцип с отказом от поисков конкретного объяснения в некотором смысле противоречит духу науки.
Наконец, совсем свежий пример. Почему масса бозона Хиггса оказалась столь «человеческой», что ее удалось измерить? Тут дело даже не массе бозона, а в энергетическом масштабе нарушения электрослабой симметрии, в массах W- и Z-бозонов. По идее, если нет каких-то специальных механизмов, энергетический масштаб поля Хиггса должен быть порядка планковского. Такой механизм понижения масштаба изобрели, он называется «суперсимметрия» и предполагает существование новых элементарных частиц - суперсимметричных партнеров для известных частиц со спином, измененным на половину. Фотино со спином ½ - для фотона, скварки со спином 0 - для кварков и т. д. Чтобы суперсимметрия правильно работала, массы этих неизвестных пока частиц тоже должны быть «человеческими» - большими, но достижимыми для Большого адронного коллайдера.
Открытие суперсимметричных партнеров было второй после бозона Хиггса большой надеждой, возлагаемой на БАК. Но она пока не оправдалась и, похоже, уже не оправдается. Почему же тогда бозон такой легкий? И тут опять возникает соблазн применения антропного принципа. Действительно, если увеличить массу бозона Хиггса, все массы элементарных частиц увеличатся, а это, как мы уже знаем, опасно для жизни. Вселенная станет либо необитаемой, либо вовсе несуществующей. Так почему бы не положиться на старый добрый принцип?! Здесь ведь надо принести ему в жертву всего 17 порядков величины, а не 120, как в случае с космологической постоянной.
И всё же антропный принцип имеет полное право на существование - мы же присутствуем в этой Вселенной, данный экспериментальный факт учитывать необходимо. Вопрос, по-видимому, в том, какие именно свойства природы определяются из антропных соображений, а какие имеют другое, более «рациональное» объяснение. Просто не надо антропным принципом злоупотреблять и использовать его как повод для прекращения поиска.
В широком смысле интересующий ученых вопрос звучит так: почему наша Вселенная такова, какова она есть? Какую роль в ее существовании играет или должен играть человек? Эти вопросы можно сформулировать иначе: почему физические постоянные - гравитационная, Планка, скорость света, заряд электрона и протона - имеют такие, а не иные значения, что случилось бы со Вселенной, если бы эти значения оказались другими? Правомерность этого вопроса определяется тем, что численные значения физических констант никак не обоснованы теоретически, они получены экспериментально и независимо друг от друга.
Неопределенная ситуация с физическими постоянными вызвала желание проверить, какими окажутся для Вселенной последствия изменения значений отдельных физических констант или целой их группы. Проведенный анализ привел к ошеломляющему выводу. Оказалось, что достаточно совсем небольших (в пределах 10-30%) отклонений значений констант в ту или другую сторону, и наша Вселенная окажется настолько упрощенной системой, что ни о каком направленном ее развития не может быть и речи. Не смогут существовать основные устойчивые состояния - ядра, атомы, звезды и галактики.
Например, увеличение постоянной Планка более чем на 15% лишает протон возможности объединяться с нейтроном, т.е. делает невозможным протекание первичного нуклеосинтеза. Тот же результат получится, если увеличить массу протона на 30%. Изменение значений этих физических констант в меньшую сторону открывает возможность для образования устойчивого ядра гелия, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Вселенной. Таким образом, надо признать, что существуют очень узкие «ворота» подходящих значений физических констант, в границах которых возможно существование Вселенной.
Но на этом случайные совпадения не заканчиваются. Напомним о других случайностях, с которыми мы уже встречались раньше:
- ? небольшая асимметрия между веществом и антивеществом позволила на ранней стадии образоваться барионной Вселенной, без чего она выродилась бы в фотонно-лептонную пустыню;
- ? остановка первичного нуклеосинтеза на стадии образования ядер гелия, благодаря чему смогла возникнуть водородно-гелиевая Вселенная;
- ? наличие у ядра углерода возбужденного электронного уровня с энергией, почти равной суммарной энергии трех ядер гелия, открыло возможность для протекания звездного нуклеосинтеза (в ходе этого процесса образовались все элементы таблицы Менделеева, более тяжелые, чем водород и гелий);
- ? расположение энергетических уровней у ядра кислорода опять же случайно оказалось таким, что не позволяет в процессах звездного нуклеосинтеза превратиться всем ядрам углерода в кислород, а ведь углерод - основа органической химии и, следовательно, жизни.
Таким образом, наука столкнулась с большой группой фактов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых, случайных совпадениях, граничащих с чудом. Вероятность каждого подобного совпадения мала, а их совместное существование вовсе не вероятно. Тогда вполне обоснованной представляется постановка вопроса о существовании пока непознанных закономерностей (со следствиями которых мы столкнулись), способных организовать Вселенную определенным образом.
Итак, наличие «тонкой подстройки», определенных физических законов, свойств элементов и характера взаимодействий между ними определяют устройство нашей Вселенной. В ходе ее развития появились структурные элементы нарастающей сложности, а на одном из этапов развития появился наблюдатель (разумное существо, человек), способный обнаружить существование «тонкой подстройки» и задуматься о породивших ее причинах.
У наблюдателя, обладающего нашей системой восприятия мира и нашей логикой, неизбежно возникнут вопросы, случайна ли обнаруженная им «тонкая подстройка» Вселенной, предопределена ли она каким-то глобальным процессом самоорганизации. Всплывает старая проблема, волновавшая человечество на протяжении всей его сознательной истории: занимаем ли мы особое место в этом мире, или же это положение является результатом случайного развития? Признание «тонкой подстройки» закономерным природным явлением приводит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление «наблюдателя» на определенном этапе ее развития. Принятие такого вывода равносильно признанию существования у природы определенных целей. Иными словами, мы вновь возвращаемся к телеологизму, служившему основой средневекового мировоззрения, а в Новое время отброшенному, как тогда казалось, навсегда.
В такой ситуации был выдвинут и в настоящее время широко обсуждается антропный принцип. В 1970-е годы его в двух вариантах (слабом и сильном) сформулировал английский ученый Б. Картер.
Его слабый антропный принцип говорит: то, что мы предполагаем наблюдать во Вселенной, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя. Этот принцип интерпретируется так, что в ходе эволюции Вселенной могли существовать самые разные условия, но человек-наблюдатель видит мир только на том этапе, на котором реализовались условия, необходимые для его существования. В частности, для появления человека понадобилось, чтобы в ходе расширения вещества Вселенная прошла все те стадии, о которых говорилось выше. Понятно, что человек не мог наблюдать их, так как физические условия тогда не обеспечивали его появления. Но с другой стороны, все эти стадии могли протекать только в мире, где существовала «тонкая подстройка». Поэтому сам факт появления человека уже предопределяет то, что он должен увидеть: и современную Вселенную, и наличие в ней «тонкой подстройки». Раз человек есть, то он увидит вполне определенным образом устроенный мир, ибо ничего другого ему увидеть не дано.
Итак, слабый антропный принцип претендует на объяснение привилегированности той космологической эпохи, в которую мы живем (в которой во Вселенной существуют разумные существа). Правда, этот принцип в качестве условия предполагает, что появление разумных существ в принципе возможно в ту или иную эпоху, это не противоречит законам природы и общему характеру космологической эволюции.
Более серьезное содержание заложено в сильном антропном принципе - Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель. По существу, идет речь о случайном или закономерном происхождении «тонкой подстройки» Вселенной. Признание закономерного устройства Вселенной влечет за собой признание принципа, организующего ее. Если же считать «тонкую подстройку» случайной, то приходится постулировать множественное рождение вселенных, в каждой из которых случайным образом реализуются случайные значения физических постоянных, физические законы и т.п. В какой-то из них случайно возникнет «тонкая подстройка», обеспечивающая появление на определенном этапе наблюдателя, и он увидит вполне благоустроенный мир, о случайном возникновении которого первоначально не будет подозревать. Иными словами, в ансамбле вселенных реализуются все логически представимые типы физического устройства, а значит, существование хотя бы одного мира с благоприятным для эволюции жизни и разума набором параметров становится вполне тривиальным. Наше появление в любом другом мире просто исключено.
Если мы признаем «тонкую подстройку» изначально заложенной во Вселенной, то линия ее последующего развития предопределена, а появление наблюдателя на соответствующем этапе неизбежно. Из этого следует, что в родившейся Вселенной потенциально было заложено ее будущее, а процесс развития приобретает целенаправленный характер. Появление разума не только заранее «запланировано», но и имеет определенное предназначение, которое проявит себя в последующем процессе развития. Это - телеологическая интерпретация сильного антропного принципа, возрождающая старые теологические споры о божественном замысле.
Существует финалистский антропный принцип, предложенный Ф. Типлером, - во Вселенной должна возникнуть разумная обработка информации, и, раз возникнув, она никогда не прекратится. Это необычное для физика предсказание, основанное на идее, что природе небезразлична судьба разума. В таком случае можно допустить, что существуют некие неизвестные нам пока природные механизмы, обеспечивающие успешное прохождение Вселенной через все ключевые пункты эволюции вплоть до образования в ней сознания. Этот принцип является еще более жестким, чем сильный антропный принцип. Ведь в соответствии с ним устройство Вселенной должно обеспечивать необходимые условия не только для возникновения жизни и разума, но и для их вечного существования. А ведь мы помним, что все существующие космологические модели говорят о неизбежности гибели жизни и разума или в конечной сингулярности (закрытая модель), или в холоде почти пустого пространства (открытая модель).
Пока мы еще слишком мало знаем о Вселенной, ведь земная жизнь только малая часть гигантского целого. Но мы имеем право строить любые догадки, если они не противоречат познанным законам природы. И вполне возможно, если человечество продолжит свое существование, решив современные глобальные проблемы, если его способность познавать себя и окружающий мир сохранится, то одной из главных задач будущего научного поиска станет осознание своего предназначения во Вселенной.
В 1973 г., на съезде учёных, посвящённом пятисотлетию со дня рождения Н. Коперника, английский физик Б. Картер выдвинул так называемый антропный принцип (АП), декларирующий наличие взаимосвязи между параметрами Вселенной и существованием в ней разума. Формальный толчок началу дискуссии о месте человека во Вселенной дало обсуждение проблемы совпадения больших чисел – странной числовой взаимосвязи параметров микромира (постоянной Планка, заряда электрона, размера нуклона) и глобальных характеристик Метагалактики (ее массы, размера, времени существования). Эта проблема поставила вопрос: насколько случайны параметры нашего мира, насколько они взаимосвязаны между собой, и что произойдет при их незначительном изменении? Анализ возможного варьирования основных физических параметров показал, что даже незначительное их изменение приводит к невозможности существования нашей Метагалактики в наблюдаемой форме и не совместимо с появлением в ней жизни и разума.
Взаимосвязь между параметрами Вселенной и появлением в ней разума была выражена Картером в двух формулировках – сильной и слабой.
«Слабый АП» лишь констатирует, что имеющееся во Вселенной условия не противоречат существованию человека: «Наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием как наблюдателей».
«Сильный АП» выдвигает более жесткую взаимосвязь параметров Вселенной с возможностью и необходимостью появления в ней разума: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей».
Можно сформулировать два крайних предположения обосновывающих АП:
1. Разум в нашей Метагалактике явление абсолютно случайное, которое стало возможным лишь благодаря маловероятному, но реализованному совпадению многих независимых физических параметров
2. Наличие биологической и социальной форм движения закономерное следствие развития Вселенной, а все ее физические характеристики взаимосвязаны и взаимообусловлены таким образом, что с необходимостью вызывают появление разума.
Для понимания Антропного принципа важно уяснить одно существенное, обстоятельство: он был выдвинут вне всякой связи с проблемой существования разумной жизни или исследованием места человека во Вселенной. Космологов и физиков-теоретиков, занимающихся космологией, интересовали совсем другие проблемы: почему тот или иной космологический параметр имеет вполне определенное значение? Почему мир устроен так, а не иначе? Почему Вселенная такова, как мы ее наблюдаем?
1.Размерность физического пространства «N». Это одна из фундаментальных важнейших характеристик нашего мира. Почему пространство имеет три измерения? Очевидно, при «N<3» человек существовать не может. Возможно, что существуют двумерные и одномерные миры. Мы можем мысленно изучать их свойства, но наблюдать эти миры мы не можем. Остаются миры, в которых «N >= 3». Каковы физические законы в этих мирах? В нашем трехмерном мире для дальнодействующих взаимодействий (к которым относятся гравитационное и электромагнитное взаимодействия) сила взаимодействия двух точечных источников убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними - закон всемирного тяготения и закон Кулона. Выражение для силы можно записать в виде «F3 = а3/Р3-1», где а3 - коэффициент пропорциональности, зависящий от произведения взаимодействующих зарядов (или масс). Индекс 3 указывает, что формула справедлива для трехмерного пространства. Эту формулу легко обобщить на случай N - мерного пространства:
«FN = аN/RN-1». Анализ характера движения под действием такой силы (П. Эренфест, 1917 г.) показал, что при «N >= 4» в задаче двух тел не существуют замкнутые устойчивые орбиты: планета либо падает на центральное тело, либо уходит в бесконечность. То есть, в таких мирах не существует аналогов планетных систем и атомов, а, следовательно, в них невозможна жизнь. Таким образом, размерность пространства оказывается жизненно важным фактором. Единственное значение параметра «N», которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, «N = 3». Это, конечно, не объясняет, почему наш мир трехмерный, но это указывает на то, почему мы наблюдаем именно такой мир: в другом мире мы просто не могли бы существовать.
Это относится не только к человеку, но к любому разумному существу (наблюдателю), представляющему собой некую сложную структуру, построенную из атомов. Здесь даже не обязательно ограничиваться рассмотрением водно-углеродной формы жизни.
2.Средняя плотность вещества во Вселенной. В космологии существует понятие критической плотности «pc». Если средняя плотность вещества во Вселенной «р
Средняя плотность связана со скоростью расширения Вселенной. Если «р<
3.Совпадение больших чисел. Существует несколько удивительных соотношений между константами, характеризующими Вселенную. Они даже получили название «совпадение больших чисел». Одно из них связывает постоянную Хаббла «Н» с атомными константами. Возникает вопрос: как объяснить это совпадение? Является ли оно чисто случайным или его можно предсказать теоретически? Оказывается это возможно, но только для обитаемой Вселенной.
Б. Картер сформулировал это положение в следующем виде: можно теоретически (до наблюдений) предсказать «совпадения больших чисел», если использовать некий Антропологический принцип: то, что мы можем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования. По существу, в предыдущих примерах, обращаясь к обитаемой Вселенной, мы неявно использовали этот принцип.
Посмотрим, как он работает в рассматриваемом примере. В соответствии с антропным принципом, в обитаемой Вселенной должно выполняться соотношение Т0 ~ = ТS где Т0 - современный возраст Вселенной (т.е. возраст в момент существования наблюдателя), а ТS - время жизни звезд. Действительно, если T0 <<ТS, то к моменту Т0 в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если T0>>ТS, то к этому моменту все ядерное горючее уже выгорит, ядерные реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут поставлять энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие T0 ~ = ТS является необходимым для существования жизни. И поэтому можно предсказать, что оно должно выполняться в нашей Вселенной.
Очевидно структура Вселенной крайне чувствительна к численным значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Достаточно значению какой-либо из постоянных выйти за эти узкие пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения: в ней становится невозможным существование одного или нескольких основных структурных элементов - атомных ядер, самих атомов, звезд или галактик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Таким образом, значения фундаментальных констант определяют условия, необходимые для существования во Вселенной жизни (и наблюдателя). Это довольно неожиданный результат.
Он означает, что в любой обитаемой Вселенной (мыслимой или реально существующей) фундаментальные физические константы не могут иметь иных значений, кроме тех, которые известны нам из опыта. Следовательно, используя Антропный принцип, мы можем приближенно предсказать значения этих констант, ничего не зная о результатах их экспериментального определения.
Эти и подобные им примеры исчерпывают физическое содержание АП. Все остальное относится к его интерпретации. Попытка перейти от предсказания к объяснению привела к развитию концепции «ансамбля вселенных». Ансамбль характеризуется всеми мыслимыми комбинациями начальных условий и фундаментальных констант. В каждой вселенной этого ансамбля реализуется определенный набор параметров. Существование наблюдателя возможно не при всех, а только при некоторых ограниченных комбинациях параметров, которые выделяют в ансамбле миров познаваемое подмножество. Очевидно, наша Вселенная принадлежит к этому подмножеству. Можно назвать его также подмножеством обитаемых вселенных, а каждую вселенную этого подмножества - обитаемой.
Ансамбль вселенных может быть мыслимым («логически возможные миры» Г. Лейбница) или реально существующим. При этом миры могут реализоваться последовательно или существовать параллельно. Ансамбль вселенных позволяет объяснить, почему мы наблюдаем то или иное свойство Вселенной. Если это свойство является необходимым для жизни, ответ может быть таким: данное свойство относится к числу типичных свойств обитаемых вселенных, наша Вселенная обитаема, поэтому ей также присуще это свойство.
Место человека во Вселенной в науке 20 в. часто рассматривается на основе антропного принципа (от греч. antropos - человек), который утверждает, что существование и развитие человека обусловлено закономерностями Вселенной, что он занимает во Вселенной привилегированное положение, т.е. Вселенная – дом человека. Истоки этого принципа связывают с идеями К.Э. Циолковского. По его мнению, материя породила человека в ходе эволюции, чтобы двигаться к высшему уровню своего развития и при помощи человека познать себя. Согласно Циолковскому, социально организованное человечество, накопив большой запас знаний, вступит в космическую эру. Циолковский выделяет в ней четыре эпохи. В результате развития по повторяющимся космическим циклам, человек достигнет высочайшего уровня (абсолютного знания), а космос будет представлять собой великое совершенство.
Идея о сверхразуме развивалась французским палеонтологом и философом П. Тейяром де Шарденом в его книге «Феномен человека». Он также исходил из принципа антропоцентризма (человек – центр мира) и писал о «концентрации сознания» отдельных индивидов в коллективный разум – точку Омега. Он считал, что человек, как ось и вершина эволюции раскрывает все, что заложено в материи, он «микрокосм», содержащий в себе все возможности космоса. Жизнь и человек неразрывно связаны с космическими процессами. Неживая материя только кажется на «мертвой», но, по Шардену, она лишь «дожизненна», в ней имеются потенции стать живой.
Само понятие «антропный принцип» появилось уже во второй половине 20-го века. По современным представлениям этот принцип вытекает из взаимосвязи мировых констант (скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, масса электрона и др.). Он был сформулирован в 1961 г. Антропный принцип утверждает, что мир таков, каков он есть, потому что в противном случае некому было бы спрашивать, почему он таков .
Действительно, свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствующих фундаментальных констант, и надо отметить, что интервал возможных значений этих фундаментальных констант, обеспечивающих нам мир, пригодный для жизни, очень мал.
Так, например, ослабление на несколько порядков константы сильных взаимодействий привело бы к тому, что на ранних стадиях расширения Вселенной образовывались, в основном, только тяжелые элементы, и в мире не было бы источников энергии (водорода и его соединений).
Если бы гравитационная постоянная была бы на несколько порядков меньше, то не возникло бы условий (достаточного сжатия протозвезды) для начала ядерных реакций в звездах.
Усиление слабых взаимодействий превратило бы на ранних этапах эволюции Вселенной все вещество в гелий, а значит, отсутствовали бы реакции термоядерного синтеза в звездах.
Усиление электромагнитного взаимодействия на несколько порядков привело бы к заключению электронов внутри атомных ядер и невозможности вследствие этого химических реакций и превращений.
Наконец, если бы первоначальная скорость расширения Вселенной была хотя бы на 0,1% меньше критической скорости расширения, то Вселенная расширилась бы лишь до трех миллионных долей своего нынешнего радиуса, после чего начала бы сжиматься.
В настоящее время говорят о слабой и сильной версии антропного принципа. В слабой версии утверждается о благоприятных локальных условиях для жизни человека. Суть слабой версии можно выразить так: то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей. Или, другими словами, свойства Вселенной таковы, что в ней могла появиться жизнь и разум («наблюдатели»). По сильной версии считается, «что человек не просто наблюдает Вселенную, а придает ей смысл существования. Человек не просто является мерой всех вещей, но и их творцом».
Антропный принцип по сей день является предметом дискуссий. Креационисты, т.е. сторонники божественного сотворения мира, используют его в своих целях. Это обстоятельство повлияло на то, что многие ученые порой настороженно, порой иронично относятся к антропному принципу, рассматривая его как ненаучный. Наиболее разумно антропный принцип может быть истолкован следующим образом:
Инфляционные сценарии (т.е. сценарии «раздувания», расширения Вселенной) не исключают возможности разделения Вселенной в процессе своего рождения на неограниченно большое число мини-вселенных. Приставка «мини», разумеется, всего лишь условность, на самом деле речь идет об огромных областях, внутри которых реализуются свои типы физических вакуумов и размерностей пространства-времени. Тогда можно говорить о вероятности (отличной от нуля!) возникновения в числе этих вселенных и таких, которые подобны нашей. Т.е. можно сказать, что мы живем во вселенной с определенными свойствами пространства-времени и материи не потому, что другие вселенные невозможны, а потому, что вселенные подобно нашей существуют. В других же вселенных жизнь нашего типа невозможна.
Итак, развитие Вселенной, согласно современным представлениям, характеризуется некоторой направленностью. В результате происходит рост и разнообразия и сложности материальных образований и на определенном этапе происходит образование живого вещества. Оно служит основой для появления разумной жизни, человека. С появлением человека Вселенная стала познавать себя и благодаря разуму целенаправленно развиваться. Период от Большого Взрыва до целенаправленного развития Вселенной является одним из этапов ее эволюции. Из принципов эволюционной теории (принцип потенциальной многонаправленности) следует, что во Вселенной могут быть различные формы жизни и разума, различные внеземные цивилизации. Тем не менее, продолжающиеся эксперименты по прослушиванию Вселенной с целью поиска внеземных цивилизаций пока не дали положительных результатов. Эта ситуация получила название «феномена молчания Вселенной».
Подводя итог, можно сказать, что современное естествознание, используя антропный принцип, рассматривает человека как уникальный и вместе с тем естественный результат эволюции Вселенной.
Химическая эволюция Земли
В процессе эволюции Земли складывались определенные пропорции различных элементов. В веществе планет, комет, метеоритов, Солнца присутствуют все элементы периодической системы, что доказывает общность их происхождения, однако количественные соотношения различны. Количество атомов какого-либо химического элемента в различных природных системах принято выражать по отношению к кремнию, поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим соединениям.
С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает, но не равномерно. Примечательно, что элементы с четным порядковым номером, особенно элементы с массовым числом кратным 4 более распространены . К ним, в частности, относятся He, CO, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Дело в том, что этим массовым числам соответствуют устойчивые ядра. Американские космохимики Г. Юри и Г. Зюсс писали по этому поводу следующее: “...распространенность химических элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами, и окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, из которого оно было создано”.
К важнейшим свойствам Земли, определяющим ее происхождение и химическую эволюцию, относится радиоактивность. Все первичные планеты были сильно радиоактивны. Нагреваясь за счет энергии радиоактивного распада, они подвергались химической дифференциации, которая завершилась формированием внутренних металлических ядер у планет земной группы.
Литофильные элементы, т.е. элементы, образующие твердые оболочки планет (Si, O, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) переходили вверх, выделение газов из расплавленного вещества мантий при выплавлении легкоплавких фракций, приводила к базальтовым расплавам, которые также изливались на поверхность планет. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали начало первичным атмосферам, которые смогли удержать только сравнительно крупные планеты, к которым относилась и Земля. Схема формирования структуры Земли показана на рис.1.
Земля наиболее массивная среди внутренних планет, прошла сложнейший путь химической эволюции. Его были усвоены и сложные органические соединения, обнаруженные также и в метеоритном веществе. Эти вещества образовались еще на последних стадиях остывания протопланетного облака. Впоследствии на Земле они привели к возникновению жизни.
Геохронология. Русский геохимик А.Е. Ферсман (1883-1945) разделил время существования атомов Земли на три эпохи:
Эпоху звездных условий существования,
- эпоху начала формирования планет,
- эпоху геологического развития.
Для обозначения времен и последовательности образования горных пород Земли в эпоху ее геологического развития примет термин геохронология .
В 1881г.в Болонье на Международном геологическом конгрессе были введены термины эра, эпоха, период, век, время и принята геохронологическая шкала.
Следует подчеркнуть, что геологическая история Земли неотделима от ее биологической эволюции, она совершилась в тесной связи и под влиянием развивающейся жизни. Эти связи отражены и в геохронологии.
По степени изученности геологической и биологической истории Земли, все время ее существования делится на две неравные части:
1. Криптозой (criptos – тайный), эта часть охватывает огромный интервал времени (от 570 до 3800 млн. лет назад). Это период со скрытым развитием органической жизни, включающая архейскую и протерозойскую эры.
2. Фанерозой (греч. рhaneros “явный” + zoe “жизнь”), более поздняя составляющая 570 млн. лет и включающая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры;
Поворотной точкой в истории биологической эволюции Земли явился кембрийский период палеозойской эры. Если докембрийская эпоха была временем единоличного господства одноклеточных организмов, то после-кембрийская стала эпохой многоклеточных форм. В кембрийский период впервые в истории эволюции возникли многоклеточные организмы современного типа, сложились все основные характеристики тех телесных "планов", по которым эти организмы строятся до сих пор, были заложены предпосылки будущего выхода этих организмов из морей на сушу и завоевания ими всей поверхности Земли.
До сих пор представляется загадочным тот факт, что появление новых форм не растянулось на всю кембрийскую эпоху или хотя бы значительную ее часть, а произошло почти одновременно, в течение каких-нибудь трех-пяти миллионов лет. В геологических масштабах времени это совершенно ничтожный срок - он составляет всего одну тысячную от общей длительности эволюци. Этот эволюционный скачок получил название "Кембрийский взрыв ".