Космологический антропный принцип

Содержание

Введение

К настоящему времени  об антропном космологическом принципе (АП) написано очень много - далеко не полная библиография насчитывает более 200 названий. После выхода фундаментальной монографии Дж.Барроу и Ф.Типлера всеобщий интерес к "антропной проблеме" достиг, кажется, кульминации, о чем свидетельствуют дискуссии, ведущиеся на страницах крупнейщих физических, биологических, философских, научно-популярных, религиозно-теологических и др. изданий.

Об АП высказываются  различные, зачастую полярно противоположные  суждения. Например, по мнению известного физика П.Девиса, с АП связана "единственная систематическая попытка научно объяснить кажущуюся таинственной структуру физического мира". Другой физик - Х.Пейджелс - полагает, что АП - это "ненаучная идея", которой "нет места ни в физике, ни в космологии", поскольку она "ни на шаг не продвигает нас в решении великих загадок Вселенной и даже ставит перед нами новую загадку: каким образом столь бесплодная идея ухитряется размножаться с такой скоростью?". Эти два типа оценок представлены в литературе одинаково широко.

АП не представляет собой  строго и однозначного утверждения. Это, скорее, широкий спектр формулировок, интерпретаций, установок и позиций, вырастающих к тому же из разных контекстов. В этом смысле приведенные высказывания Девиса и Пейджелса при ближайшем рассмотрении оказываются оценками не одного и того же концептуального содержимого, но различных интерпретаций некоторого общего содержимого, которое само по себе никаких сомнений вызвать не может, но в большинстве случаев и никакой конкретной позиции еще не выражает. Поэтому и возникает проблема интерпретации.

Цель данной работы – рассмотреть специфику космологического антропного принципа.

Космологический антропный принцип

Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем  столетии XX века, представляют большой  научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах – от элементарных частиц до сверхскоплений галактик – с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи, жизнь и человек.¹

Исследования показывают, что Вселенная, в которой мы живем, удачно приспособлена для нашего существования. Основные свойства Вселенной объясняются значениями нескольких фундаментальных постоянных (гравитационная постоянная, масса протона и электрона, заряд электрона, скорость света и др.).

В наблюдаемой Вселенной существует удивительное совпадение, вернее, согласование энергии расширения Вселенной и гравитационной энергии, значения фундаментальных констант гравитационного, сильного, электромагнитного взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивают возможность возникновения галактик и звезд, в том числе стабильных, в которых термоядерные реакции протекают в течение многих миллиардов лет.

Для иллюстрации связи характеристик  Вселенной с физическими константами  представьте себе, что произошло  бы при изменении значений фундаментальных  мировых постоянных. Например, если бы масса электрона была в три-четыре раза выше ее нынешнего значения, то время существования нейтрального атома водорода исчислялось бы несколькими днями. А это привело бы к тому, что галактики и звезды состояли бы преимущественно из нейтронов и многообразия атомов и молекул, их в современном виде просто не существовало бы.

Современная структура Вселенной  очень жестко обусловлена величиной Dmn = mn - mp , то есть разницей в массах нейтрона и протона. Разность очень  мала и составляет всего около 10- 3 от массы протона. Однако если бы она была в три раза больше, то во Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы сложных элементов. Увеличение константы сильного взаимодействия всего на несколько процентов привело бы к тому, что уже в первые минуты расширения Вселенной водород полностью выгорел бы и основным элементом в ней стал бы гелий.

Константа электромагнитного взаимодействия тоже не может существенно отклоняться  от своего значения 1/137. Если бы, например, она была 1/80, то все частицы, обладающие массой покоя, аннигилировали бы и Вселенная состояла бы только из безмассовых частиц.

Достаточно было бы сравнительно небольшого отличия констант от существующих в  действительности, чтобы либо галактики  и звезды вообще не успели возникнуть к нашему времени (если бы константа гравитационного взаимодействия была на 8-10% меньше), либо звезды эволюционировали слишком быстро (если бы она была больше на 8-10%). В соотношении констант обнаружены такие тонкости, что, например, константа сильного взаимодействия обеспечивает протекание ядерного синтеза в недрах звезд с образованием углерода и кислорода, которые поставляются в космос при взрыве сверхновых звезд и служат в дальнейшем материалом для формирования звезд второго поколения типа Солнца и планетных систем. Ясно, что даже небольшого отклонения от константы сильного взаимодействия было бы достаточно, чтобы жизнь на Земле оказалась невозможной. Если бы величины этих констант несколько отличались от их значений, то свойства Вселенной были бы совсем другими. Эти самые свойства являются условиями возникновения той формы жизни, которая существует на Земле. Сущность антропного принципа в том, что жизнь является неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее эволюции. Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней существующей формы жизни. Можно сказать, что нам просто повезло - константы в Метагалактике оказались благоприятными для возникновения жизни, поэтому мы существуем и познаем Вселенную. Но наряду с такой Метагалактикой имеются многие другие с иными константами, с другим распределением материи, геометрией и даже, возможно, с другими размерностями пространства, совершенно неподходящими для жизни, с условиями, которые трудно вообразить.

Другие Метагалактики - это миры иных констант. Некоторые из них  совсем непохожи на нашу Вселенную, но вполне возможно, что в каких-то метагалактиках есть и разумные существа.

Суть антропного принципа, сформулированного Г.М. Идлисом из Института истории естествознания РАН в 1958 году, в следующем: Вселенная такова, какой мы ее видим, поскольку в ней существуем мы, то есть наблюдатели, способные задаться вопросом о свойствах Вселенной. При других параметрах во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь в известных нам формах².

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»³.

Один  из  примеров  применения  слабого  антропного  принципа - "объяснение" того, что  большой взрыв произошел около десяти тысяч  миллионов лет назад: примерно столько времени  требуется  разумным  существам  для  их развития⁴. Прежде всего должно было  образоваться  раннее поколение звезд. Эти звезды  превращали  часть первоначального водорода  и гелия в элементы типа углерода и кислорода, из  которых  мы  состоим.  Затем звезды взрывались как сверхновые, а из  их  осколков  образовывались  другие звезды и планеты, в том числе и входящие в нашу Солнечную  систему,  возраст которой около пяти тысяч  миллионов  лет. В первые  одну  или две тысячи  миллионов лет существования Земли на ней было  слишком жарко для развития каких бы то ни  было  сложных организмов.  Остальные примерно  три тысячи миллионов лет происходит  медленный процесс биологического  развития,  в результате которого простейшие организмы прошли путь  до  разумных  существ, умеющих измерять время, прошедшее с момента большого взрыва. Мало кто возражает против справедливости  и  применимости  слабого антропного принципа.

«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».

Английский физик С. Хоукинг в «Краткая история времени» определяет «Слабый АП» следующим образом: «Слабый Антропный Принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна, условия для развития разумной жизни возникнут только в определённых районах, ограниченных во времени и пространстве. Поэтому разумные существа в этих районах не должны удивляться, что в их части Вселенной условия как раз те, которые необходимы для их существования».

О «Сильном АП» он говорит  следующее: «В соответствии с этой теорией, имеются либо многие различные вселенные, либо различные районы в пределах одной Вселенной, каждый со своей начальной конфигурацией и со своим собственным набором законов науки. В большинстве этих районов условия не подходящие для развития сложных организмов; только в немногих из них, подобных нашей Вселенной, разумная жизнь разовьётся и задаст вопрос: почему Вселенная такова, какова она есть? Ответ прост: если бы она была иной, мы не были бы здесь»⁵.

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? Подход, который использовался при решении этой проблемы, соответствует обычной, принятой в физике методологии. Если нас интересуют значения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значения и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой системе (в данном случае во Вселенной). Этот естественный и вполне разумный подход неожиданно привел к установлению связи между существованием наблюдателя и наблюдаемыми свойствами Вселенной.

Далее, какие типы объяснения связывают с АП?⁶

Наиболее часто приводят рассуждение о том, что если бы свойства Вселенной были бы иными, то человек, наблюдатель не мог бы возникнуть, и вопрос: почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем, просто некому было бы задавать. В области космологических масштабов, писал А. Л. Зельманов, сама возможность существования познающего субъекта определяется свойствами изучаемого объекта: "... мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы иного типа протекают без свидетелей". Аналогичны, по сути, идеи Г. М. Идлиса, Б. Картера, С. Хоукинга и др. Объяснение, даваемое АП, состоит в следующем:

1. появление жизни  и разума возможно лишь в  узком диапазоне физико-астрономических  условий (буквально на "лезвии  бритвы");

2. тот факт, что человечество, наблюдатель возникли, доказывает, что соответствующие условия  на самом деле имели место  в ходе эволюции и самоорганизации Вселенной.

Многие авторы считают  такое рассуждение не более, чем  тривиальностью. С логической точки  зрения, это действительно так  и никакого научного принципа здесь  нет. Собственно говоря, было ясно и  независимо от АП, что человек мог появиться не на любом этапе эволюции Вселенной. Об этом, кстати, писал Дж. Джинс еще в 30-ые годы. Возведение этого очевидного вывода в ранг научного принципа никакого прироста знаний не дает. Нетривиальна, однако, выявленная АП научными средствами неразрывная связь субъекта и объекта, которая была чужда классической науке и характерна для науки классической и постнеклассической.

Кроме того, цитированное высказывание А. Л. Зельманова относится  к объектам не только космологического, но и других масштабов. Появление наблюдателя определяется длинной цепью процессов эволюции и самоорганизации - от флуктуации ложного вакуума, породившей нашу мини-Вселенную, т. е. Метагалактику, до биосферных и социальных процессов. Ситуации "лезвия бритвы" осуществлялись в этих процессах не раз, причем многие из них не имели свидетелей. Даже и на Земле мы являемся свидетелями (наблюдателями) процессов только определенного типа. Космологические условия, создающие предпосылки для эволюции и самоорганизации Вселенной, находятся в ряду других аналогичных условий, изучаемых современной наукой. Спецификой является проход по "лезвию бритвы" в форме "тонкой подгонки" фундаментальных констант, которая не может быть объяснена простой ссылкой на существование познающего субъекта, а нуждается в более глубоких объяснениях. Каких же?

Если человек все-таки возник и оказался настолько любознательным, что задался вопросом: почему Вселенная  такова, какой мы ее наблюдаем, то ответ  на него неизбежно выводит за рамки  АП. Неквантовой и квантовой космологией выдвинуто несколько вариантов объяснения, в которых можно усмотреть сходство со стандартным эталоном.