Религия всегда оказывается права. Она разрешает все вопросы и, следовательно, снимает все вопросы в мире. Религия придает нам уверенность, незыблемость, умиротворение и сознание абсолютности. Она защищает нас от прогресса, который всех нас приводит в трепет. Наука поступает совсем наоборот. Она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десяток новых.
Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем десятилетии XX века, представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения, развития 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 и в конце концов жизнь и человек.
Почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных мировых постоянных, характеризующих физические взаимодействия, и бесконечного разнообразия начальных условий, которые могли существовать в очень ранней Вселенной, реализуются величины и условия, приводящие к вполне конкретному набору особенностей, наблюдаемых нами? В пространстве N измерений точечные источники взаимодействуют с силой, гдеr - расстояние между источниками. Можно показать, что устойчивые движения двух тел, взаимодействующих по такому закону, отсутствуют при N3. Еще в 20-е годыXX столетия П. Эренфест показал, что если бы число пространственных координат N было равно четырем, то не су-
ществовало бы замкнутых орбит планет и, естественно, Солнечной системы и человека. При N = 4 была бы невозможна также атомная структура вещества. При N < 2 движение происходит в ограниченной области. Только при N = 3 возможны как связанные, так и несвязанные движения, что как раз и реализуется в наблюдаемой Вселенной.
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 ее гравитационной энергии, значения фундаментальных констант гравитационного, сильного, слабого, электромагнитного взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивает 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 3-4 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 в их современном виде просто не существовало бы.
Современная
структура Вселенной очень жестко
обусловлена величиной
т.
е. 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 бы выгорел 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 сравнительно небольшого отличия констант от существующих в действительности, чтобы либо галактики и звезды вообще бы не успели возникнуть к нашему времени (если бы константа гравитационного взаимодействия была на 8-10% меньше), либо, звезды эволюционировали бы 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 благоприятствующими для возникновения жизни и 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 не похожи на нашу
Вселенную, но вполне возможно, что в каких-то метагалактиках есть и разумные существа.
Суть антропного принципа заключается в следующем: Вселенная такова, какой мы ее видим, поскольку в ней существуем мы, т. е. наблюдатели, способные задаться вопросом о свойствах Вселенной; при других параметрах во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь в известных нам формах. Выше было отмечено, что даже небольшие изменения фундаментальных постоянных приводят к качественным изменениям свойств Вселенной, в частности к невозможности существования сложных структур, а значит, и самой жизни.
Возможность согласованного и сильного изменения всего набора физических констант, параметров Вселенной (а в принципе и физических законов) так, чтобы получить модели других вселенных, в которых выполнены если не достаточные, то хотя бы необходимые условия для возникновения сложных структур и жизни, представляется интересным. Конечно, такая задача в полном объеме пока не разрешима.
Познание человеком свойств Вселенной - тоже эволюционный процесс, зависящий от уровня развития человеческого общества и в первую очередь от уровня развития науки. Образы Вселенной на каждом историческом этапе были различны. Всех свойств нашей Вселенной мы еще не знаем, но фантазия теоретиков уже блуждает в запутанных лабиринтах предположений о свойствах других возможных Вселенных. Антропный принцип отнюдь не исключает возможности их существования. Их свойства могут быть таковы, что возникновение жизни в них будет невозможно и их эволюция будет проходить "без свидетелей".
Краеугольный камень современной космологии составляет утверждение: место, которое мы занимаем во Вселенной, не является специальным. Это утверждение известно как космологический принцип . Интересно отметить, что большую часть истории цивилизации считалось, что мы занимаем особое место - в центре «мироздания» (не будем конкретизировать это понятие).
В модели античных греков (Александр Птолемей) считалось, что Земля лежит в центре космоса… Коперник поместил в центр космоса Солнце. Ньютоновская теория поставила новую точку зрения на твердую основу. Ньютон предполагал, что звезды подобны нашему Солнцу. Они равномерно распределены в бесконечном пространстве в статических конфигурациях. Хотя Ньютон и знал, что такие статические конфигурации нестабильны.
В следующие 200 лет постепенно приходило понимание того, что ближайшие звезды распределены не равномерно, а образуют дископодобную структуру, которая теперь известна как галактика Млечный путь. Гершель был первым, кто идентифицировал дискообразную структуру еще в конце 1700-х, но эти наблюдения были несовершенны и привели к ошибочному выводу, что солнечная система лежит в центре диска. Только в начале 1900-х это утверждение было убедительно опровергнуто Шепли, который показал, что мы находимся на расстоянии две трети радиуса от центра галактики. Даже после этого, он, по-видимому, считал, что наша галактика находится в центре Вселенной. Только в 1952 году было окончательно продемонстрировано Baade, что Млечный путь абсолютно типичная галактика, приводящая к современной точке зрения, известной как космологический принцип : Вселенная выглядит одинаково, кто бы вы не были и где бы вы не были.
Важно подчеркнуть, что космологический принцип не точен (не следует понимать буквально): сидеть на лекции совсем не то, что сидеть в баре, внутренность Солнца существенно отличается от межзвездного пространства. Принцип является приближенным и выполняется тем лучше, чем с большими масштабами мы работаем. Даже на масштабах отдельной галактики он не очень хорош. Космологический принцип свойство глобальной Вселенной и нарушается, когда мы переходим к локальным явлениям.
Космологический принцип – основа космологии Большого взрыва. Большой взрыв –лучшее описание нашей Вселенной, которое мы имеем в настоящее время. Цель настоящей книги – пояснить это утверждение. Модель Большого взрыва – эволюционирующая сущность. В настоящем она очень отличается от той модели, которая имела место в прошлом. Вначале она была вынуждена соперничать с конкурирующей идеей стационарной Вселенной, которая утверждала, что Вселенная не эволюционирует, а всегда одинакова. Однако наблюдения поддерживают сценарий Большого взрыва, и конкурирующая теория почти никогда не рассматривается.
В истории астрономии ученые в основном полагались на видимый свет как источник наших знаний о Вселенной. Одно из основных достижений ХХ столетия использования всего спектра электромагнитного излучения для астрономических наблюдений. Имеющаяся аппаратура позволяет работать с радиоволнами, микроволновым и инфракрасным излучением, видимым светом, ультрафиолетом, рентгеном и гамма-излучением. Мы даже входим в эпоху, когда мы сможем даже выйти за пределы электромагнитного спектра и получать информацию другого типа. Замечательная особенность наблюдения близких сверхновых состоит в том, что мы можем видеть их с помощью детектирования нейтрино, слабовзаимодействующих частиц. Детектирование высокоэнергетических космических лучей теперь рутинная процедура, хотя происхождение лучей не совсем понятно. В настоящее время начинаются эксперименты по детектированию гравитационных волн, деформирующих пространство-время. Они помогут нам наблюдать такие события как столкновения звезд.
Наступление эпохи больших телескопов земного и спутникового базирования, работающих во всех участках электромагнитного спектра принесло революцию в наше восприятие Вселенной.
Текущие годы стали золотым веком наблюдательной космологии. Используя различные наблюдательные методы, физики и космологи объяснили космический микроволновой фон. Он явился наблюдательным окном, который обеспечил большую часть получаемой информации. Анизотропия космического микроволнового излучения, детектированная к настоящему времени в широкой области угловых масштабов, представила нам картину Вселенной во время рекомбинации, эпоху, когда космические фотоны испытали последнее рассеяние. Исследования крупномасштабных галактических скоплений обеспечило нас спектрами (получаемыми с все возрастающей точностью) распределения объектов во Вселенной, которые испускают свет. Это дает нам возможность получить распределение масс во Вселенной в настоящее время.
Что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$ различных составляющих.
В частности, анализ приведенной на рисунке карты всего неба, построенной по результатам WMAP, дает следующие результаты: возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет (с точностью до 1%); она состоит на 73% из темной энергии, на 23% из холодной и темной материи и только на 4% из атомов. В настоящее время Вселенная расширяется со скоростью 71 км/с/Мпс (с точностью до 5%), хотя в прошлом испытала ряд эпизодов быстрого расширения (инфляции). Параметры Вселенной таковы, что она будет неограниченно расширяться и в дальнейшем. Полученные результаты настолько интересны, что астрономы, по-видимому, еще долго будут заниматься их исследованием и интерпретацией.
Это говорит нам, что акустические колебания действительно имели место в первозданной плазме и что инфляционные адиабатические возмущения являются лучшими кандидатами для объяснения образования структур во Вселенной за счет гравитационной нестабильности. Мы также имеем очень точно измеренное содержание барионной компоненты \[{{\Omega }_{b}}{{h}^{2}}=0.0223_{-0.0009}^{+0.0007}\] Эта величина получается из отношения высот первых двух пиков и находится в согласии с предсказаниями по ядерному синтезу и относительному содержанию легких ядер. Акустический угловой масштаб в момент рекомбинации определяется с высокой точностью \[{{\theta }_{A}}=0.595\pm 0.002^0\](градусов). Таким образом, плоская модель всего лишь с шестью параметрами:
Доказательство того, что на больших масштабах Вселенная становится «гладкой» - основа космологического принципа. Считается, что на больших масштабах Вселенная обладает двумя важными свойствами: однородностью и изотропностью. Однородность эквивалентна утверждению, что Вселенная выглядит одинаковой в каждой точке, в то время как изотропность утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях.
Эти два понятия автоматически не подразумевают друг друга. Например, Вселенная с постоянным магнитным полем однородна, так как одинакова в любой точке. Однако, она не изотропна, так как направления по полю и перпендикулярно к нему не эквивалентны. Альтернативно, сферически симметричное распределение зарядов, рассматриваемое из центральной точки изотропно, но не обязательно однородно. Если же мы потребуем, чтоб это распределение было изотропно в каждой точке, то тогда оно будет также и однородным.
Как уже упоминалось, космологический принцип не является точным, и поэтому наша Вселенная не является в точности однородной и изотропной. Более того, изучение отклонений от однородности наиболее наиболее перспективные исследования в космологии. В основном мы сконцентрируем внимание на поведении Вселенной в целом, и поэтому будем предполагать крупномасштабную однородность и изотропность.
Ключевой факт наблюдательной космологии: почти все во Вселенной выглядит удаляющимся от нас, причем, чем дальше от нас находятся объекты, тем быстрее они удаляются. Скорости удаления измеряются по красному смещению, которое связано с эффектом Доплера применительно к световым волнам…. Эта техника была впервые использована В. Слифером в 1912 году. В следующие десятилетия она систематически применялась одним из наиболее известным космологом Эдвином Хабблом.
Оказывается, что все галактики удаляются от нас. В стандартной терминологии это означает красное смещение. Величина красного смещения $z$ определяется как
\
Если близкая галактика удаляется со скоростью $v$, красное смещение есть
На рисунке представлена диаграмма Хаббла для 1355 галактик. Формула (2.2) не учитывает эффектов СТО и справедлива только для $v/c\ll 1$. Точное выражение ((2.2) есть его разложение по малому параметру $v/c$)
Однако для удаленных объектов в космологии необходимы другие рассмотрения, и поэтому этим выражением пользоваться нельзя!
Хаббл осознал, что его результаты показывают: скорость удаления объекта пропорциональна удалению объекта от нас
\[\vec{v}={{H}_{0}}\vec{r}~~~~~~~~~~(2.3)\]
Константа пропорциональности известна как константа Хаббла. Закон Хаббла не точен. Как и космологический принцип, закон Хаббла не выполняется точно для близких галактик, которые, вообще говоря, участвуют в некоторых случайных движениях, известных как peculiar velocities. Но он описывает среднее поведение галактик очень хорошо. Многочисленные попытки определить константу пропорциональности до настоящего времени не приводили к консенсусу. Сейчас мы приближаемся к нему. На первый взгляд, космологический принцип нарушается, если мы наблюдаем, что все удаляется от нас, т.е. мы находимся в центре Вселенной. Однако никакое утверждение не может быть более далеким от правды, чем это. В этом легко убедить себя, рассмотрев квадратную решетку, все узлы которой удаляются от некоторой «центральной» точки со скоростями, пропорциональными расстоянию до центральной точки.
Перейдя в новую систему отсчета, соседнюю точку решети, легко убедиться, что закон Хаббла будет выполняться для нового «центра». Так получается только в силу линейности соотношения между скоростью и расстоянием. Любой другой закон разрушает эту изящную картину. Таким образом, хотя Вселенная расширяется она выглядит одинаково для всех наблюдателей, размещенных в какой-либо галактике. Полезна аналогия с выпечкой кекса с изюмом или надуванием шара с точкой на поверхности. По мере того как пирог всходит или шар надувается, изюминки или точки удаляются друг от друга. Из каждой точки кажется, что все другие точки удаляются. И удаляются тем быстрее, чем дальше они друг от друга.
Понятие расстояния в расширяющейся Вселенной, описываемой метрикой Фридмана, Робертсона, Уокера, требует пояснения. Так, его можно определять по угловому размеру источника со стандартными размерами (угловое расстояние), или по принимаемому от стандартного источника потоку излучения (фотометрическое расстояние), или по собственному движению источника со стандартной скоростью (метрическое расстояние). Очевидно, в плоском пространстве-времени все три способа дадут один и тот же результат. Но Вселенная описывается искривленным пространством-временем (даже если трехмерное пространство евклидово!) с изменяющимся масштабным фактором, поэтому указанные способы дадут существенно различные значения уже при $z\sim 1.$
Различные зависимости от $z$ - ключ к разгадыванию всех возможных вкладов в ${{\Omega }_{tot}}$ с помощью наблюдения вспышек сверхновых при различных и предпочтительно больших красных смещениях.
Для измерения расстояний в астрономии используется метод фотометрического параллакса. Источник света излучает фотоны. Мощность источника называется светимостью и измеряется в ваттах. Фотометрический инструмент (например глаз) измеряет не мощность источника, а поток фотонов в данном месте. Поток обратно пропорционален квадрату расстояния от источника. Значит, если мы знаем светимость и можем измерить поток, то можем вычислить расстояние до источника. В этом и заключается метод фотометрического параллакса. Для измерения фотометрического параллакса требуется знать светимость астрономических источников.
Это сложная проблема. Более просто определить светимость одной популяции источников. В частности можно достаточно точно измерить среднюю светимость источников одной популяции. Если разброс отдельных источников относительно среднего (дисперсия) невелик, то эту популяцию можно использовать для определения расстояния до источника. Мечта астрономов – открытие популяции с маленькой дисперсией. Такую популяцию назвали стандартной свечей. Один из примеров такой популяции цефеиды – переменные звезды, период изменения блеска которых прямо пропорционален светимости звезды. (астрономические объекты, принадлежащие популяции с большой дисперсией принято называть индикаторами расстояний).
Буквально в последние годы был найден источник, который можно рассматривать как стандартную свечу. Это сверхновые (SN) типа Ia. Такие звезды имеют высокую светимость, сравнимую со светимостью всей галактики, в которой они вспыхивают. Поэтому они хорошо видны на межгалактических расстояниях.). Кроме того, они обладают очень хорошей однородностью светимости в максимуме блеска (блеск это, видимо, попадающий в прибор наблюдателя световой поток) Дисперсия светимости в максимуме блеска для этой популяции звезд $\delta m\approx 0.3-{{0.5}^{m}}$ звездной величины. Поток энергии для прежних индикаторов расстояния различался в десятки раз, что и вызывало большую неопределенность в определении расстояний. При учете тонких деталей спектра вспышки, а также при учете светимости не только в видимом, но и в ультрафиолетовом диапазоне дисперсия светимости в максимуме может быть уменьшена до $\delta m\approx {{0.15}^{m}}$.
Экспериментаторы (1998), работая с SN Ia обнаружили, что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$различных составляющих.
Действительно, световой поток полученный от удаленной сверхновой связан с ее абсолютной светимостью $L$ и ее фотометрическим расстоянием (luminosity distance)$$${{d}_{L}}$ соотношением
Если геометрия пространства эвклидова, то ${{d}_{L}}=\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}$. В ОТО, с другой стороны, геометрия пространства может быть неэвклидовой, и ${{d}_{L}}$ будет, вообще говоря, зависеть от геометрии пространства и от истории расширения Вселенной. Действительно, можно показать, что в пространственно плоской и расширяющейся FRW Вселенной ${{d}_{L}}$ имеет форму
\[{{d}_{L}}(z)=(1+z)\int\limits_{0}^{z}{\frac{d{z}"}{H({z}")}}\]
Предельный случай ${{\Omega }_{m}}=1,\ {{\Omega }_{\Lambda }}=0$ соответствует стандартной модели холодной темной материи (SCDM), в которой Вселенная замедляется по слабому степенному закону $a(t)\propto {{t}^{2/3}}$. Другой экстремальный пример ${{\Omega }_{\Lambda }}=1,\,{{\Omega }_{m}}=0$ описывает Вселенную де Ситтера (известную как устойчивое космологическое состояние), для которой $a(t)\propto \exp \left(\sqrt{\frac{\Lambda }{3}}ct \right)$. Таким образом сверхновая при красном смещении $z=3$ будет казаться в 9 раз ярче в $SCDM$ модели, чем в пространстве де Ситтера.
Уравнение Фридмана описывает расширение Вселенной и, следовательно, является наиболее важным уравнением в космологии. Одна из рутинных задач космолога – решение этого уравнения при различных предположениях относительно материального содержания Вселенной. Для того, чтобы вывести уравнение Фридмана, необходимо вычислить гравитационную потенциальную энергию и кинетическую энергию пробной частицы и затем воспользоваться законом сохранения энергии.
Рассмотрим наблюдателя в однородной расширяющейся Вселенной с массовой плотностью $\rho $. В силу однородности Вселенной любая точка может быть выбрана в качестве ее «центра». Рассмотрим пробную частицу массы $m$на расстоянии $r$, тогда (с учетом теоремы Гаусса)
\
и
\
Кинетическая энергия
и полная энергия
\
Заметим, что $U$ различно для частиц, разделенных различными расстояниями. Полная энергия
\
Это уравнение определяет эволюцию расстояния $r$ между двумя частицами.
Сделаем теперь важный шаг, который связан с тем, что эти аргументы применимы к любым двум частицам во Вселенной. Это позволяет нам перейти к новым координатам, которые известны как сопутствующие координаты.
Эти координаты «переносятся» расширением. В силу того, что расширение однородно, связь между реальным расстоянием $\vec{r}$ и сопутствующим расстоянием может быть записана
\[\vec{r}=a(t)\vec{x}~~~~~~~~~~(**)\]
Где в силу однородности $a$зависит только от времени. Для понимания уравнения Фридмана, удобно представлять себе координатную решетку, расширяющуюся со временем. Галактики остаются в фиксированных точках решетки (в $\vec{x}$ координатной системе). Исходные $\vec{r}$ координаты, которые не подвергаются расширению, называются физическими координатами.
Величина $a(t)$ является ключевой и известна как масштабный фактор Вселенной. Она определяет универсальную скорость расширения. Являясь функцией только времени, она показывает как физические расстояния растут со временем, в то время как координатное расстояние $\left| {\vec{x}} \right|$ по определению фиксировано. Мы можем использовать масштабный фактор, чтобы переписать уравнение (*). Подставляя (**) в (*) и учитывая, что $\dot{x}=0$ (сопутствующие координаты при расширении фиксированы), получим
Полагая $k{{c}^{2}}=-2U/m{{x}^{2}}$, это уравнение можно представить в виде
\[{{\left(\frac{{\dot{a}}}{a} \right)}^{2}}=\frac{8\pi G}{3}\rho -\frac{k{{c}^{2}}}{{{a}^{2}}}\]
Это уравнение Фридмана –важнейшее уравнение космологии. В этом выражении $k$ должно не зависеть ни от координат, ни от времени. Эта величина имеет размерность ${{\left[ L \right]}^{-2}}.$ Расширяющаяся Вселенная имеет единственное значение $k$, которое сохраняется в процессе расширения.
Каков смысл расширения Вселенной? Давайте начнем с того, какой смысл не вкладывается в это понятие. Это не означает, что ваше тело постоянно увеличивается со временем (и, конечно, не является оправданием, если это все-таки происходит). Это не означает, что земная орбита со временем удаляется от Солнца. Это не означает, что звезды в нашей галактике удаляются друг от друга со временем. Но это означает, удаленные галактики разбегаются со временем. Ответ на вопрос зависит от того, управляется ли движение объекта кумулятивным гравитационным эффектом однородного распределения материи. Атомы в нашем теле нет.
Расстояния между ними диктуются силами химической связи, в которых гравитация несущественна. Поэтому молекулярные структуры не будут подвержены расширению. Аналогично, движение Земли по орбите (почти) полностью определяется притяжением Солнца (с небольшим влиянием других планет). И даже звезды в нашей галактике двигаются в потенциальной яме, которую они сами и создают. И не удаляются друг от друга. Общая особенность как солнечной системы так и галактик – их плотность существенно превосходит плотность гладко распределенной материи, которую мы использовали при выводе уравнений Фридмана. Но если мы перейдем к большим масштабам, десятки мегапарсек, Вселенная будет эффективно изотропной и однородной с галактиками, уплывающими друг от друга, как это предсказывают уравнения Фридмана. На этих больших масштабах работает космологический принцип и ощущается расширение Вселенной.
Общий вопрос, который волнует людей: могут ли удаленные галактики разбегаться со скоростью больше скорости света? Так как скорость разбегания пропорциональна расстоянию между галактиками, то если мы рассмотрим достаточно удаленные галактики, то мы можем сделать скорости сколь угодно большими в нарушение специальной относительности. Ответ на этот вопрос таков. В наших теоретических предсказаниях могут появиться объекты, удаляющиеся со скоростями больше скорости света. Однако это происходит в пространстве, которое само по себе расширяется. Это не нарушает причинность, потому что никакой сигнал не может быть послан между такими галактиками.
Кроме того, специальная теория относительности не нарушается, потому что она относится к относительным скоростям объектов, проходящих вблизи друг друга, и не может быть использована для сравнения относительных скоростей удаленных объектов. Чтобы понять это, вообразим группу муравьев на воздушном шаре. Представим, что быстрейшие муравьи могут двигаться со скоростью 1см/сек. Если два муравья проходят друг мимо друга, то наибольшая относительная скорость 2см/сек, если они двигаются в противоположном направлении. Начнем надувать шар. Хотя муравьи, блуждающие по поверхности, все еще имеют скорость, не превосходящую 1см/сек, но шар расширяется под ними. Следовательно, их относительная скорость легко превзойдет 2см/сек, если шар надувать достаточно быстро (а если медленно?). Но они никогда не могут рассказать друг другу об этом, потому что шар растаскивает их быстрее, чем они могут двигаться вместе, даже при полной скорости. Любые два муравья, которые стартуют достаточно близко друг к другу и могут проходить мимо обладают относительной скоростью, не превосходящей 2 см/сек, даже если Вселенная расширяется. Расширяющееся пространство подобно надуваемому шару и тащит галактики за собой.
Будучи фундаментальным, уравнение Фридмана тем не менее не может использоваться без уравнения, описывающего как плотность $\rho $ компонент Вселенной зависит от времени. Это уравнение включает давление материала и называется уравнением жидкости. Как мы вскоре увидим, различные материалы имеют разное давление, а это приводит к различным эволюциям. Мы можем получить необходимое уравнение, написав первый закон термодинамики \ И применив его к расширяющемуся объему единичного сопутствующего радиуса (размера), получим $(dS=0)$ \[\dot{\rho }+3\frac{{\dot{a}}}{a}(\rho +\frac{p}{{{c}^{2}}})=0\]
Как мы видим два члена дают вклад в изменение плотности. Первый член описывает уменьшение плотности за счет увеличения объема. Второй член описывает уменьшение энергии за счет того, что давление совершает работу при увеличении объема Вселенной. Эта энергия не исчезает (энергия, конечно, сохраняется). Она переходит в потенциальную гравитационную энергию.
Подчеркнем, что в однородной Вселенной отсутствуют силы, связанные с давлением, потому что плотность и давление всюду одинаковы. Требуется градиент давления, чтобы возникла сила. Поэтому давление не дает вклад в силу, способствующую расширению. Его эффект проявляется только в работе, выполненной при расширении Вселенной.
Мы еще не готовы решить уравнение Фридмана, так как не конкретизировали зависимость давления для конкретного материала, заполняющего Вселенную. Обычное предположение, известное как уравнение состояния, $p=p(\rho)$. Простейшее предположение – отсутствие давления, как это имеет место для нерелятивистской материи.
Уравнение Фридмана и жидкостное уравнение можно использовать для получения третьего уравнения (конечно, не независимого), описывающего ускорение масштабного фактора \[\frac{{\ddot{a}}}{a}=-\frac{4\pi G}{3}(\rho +\frac{3p}{{{c}^{2}}})\] (3.18) Заметим, что какое бы давление (положительное) не имел материал, оно увеличивает гравитационные силы и приводит к дополнительному замедлению ускорения. Напомню, что нет сил, связанных с давлением в изотропной Вселенной, так как отсутствуют градиенты давления.
Несмотря на колоссальный приток наблюдательных данных (особенно следует отметить окончательные результаты эксперимента WMAP и результаты по сверхновым), все они, в пределах ошибок наблюдений, продолжают укладываться в современную парадигму четырехстадийной эволюции нашей Вселенной, частью которой является стандартная модель современной Вселенной.
Эти 4 основных стадии – вакуумоподобная квази-де-ситтеровская, или инфляционная стадия в ранней Вселенной, за которой (после промежуточной стадии рождения и разогрева обычной материи) следует стадия доминирования горячей ультра-релятивистской материи (исторически названная Большим Взрывом), которая относительно недавно (при красном смещении $z \approx 3200$) сменяется стадией доминирования нерелятивистской материи (холодной темной небарионной материи и барионов). Наконец, уже в наше время, начиная с z
Последняя стадия поддерживается темной энергией. Соответственно, для количественного описания требуются четыре новых (по отношению к стандартной модели элементарных частиц) безразмерных постоянных, которые на современном уровне понимания либо сами являются фундаментальными постоянными микрофизики, либо связаны с ними через теоретические модели. Это безразмерная амплитуда начальных, приближенно масштабно-инвариантных возмущений плотности материи, отношение числа фотонов реликтового излучения к числу барионов, отношение плотностей холодной темной небарионной материи и барионов и, наконец, практически не зависящая от z плотность энергии современной темной энергии, обезразмеренная известными фундаментальными постоянными. На современном теоретическом уровне уменьшить число этих постоянных нельзя. Однако оно существено меньше, чем число фундаментальных безразмерных постоянных в стандартной модели элементарных частиц. В настоящее время уже ясно, что начальный спектр возмущений не является строго масштабно-инвариантным, так что для его количественного описания требуется по крайней мере еще одно число (окончательного доказательства этого мы ожидаем от эксперимента Planck).
Здесь однако могут помочь инфляционные модели ранней Вселенной, в которых все параметры начального спектра выражаются в максимально простом случае через одну безразмерную постоянную, и я приведу примеры таких моделей, которые еще остаются жизнеспособными (это как раз пионерские модели инфляции). Другое ожидаемое здесь фундаментальное открытие – это первичные гравитационные волны (через обнаружение В-моды поляризации реликтового излучения), но чувствительности Planck может для этого не хватить.
Что касается темной небарионной нерелятивистской материи, про которую мы уже знаем, что она почти бесстолкновительная, то здесь наиболее замечательным явилось бы ее прямое детектирование в наземных экспериментах.
Aстрономическими методами можно открыть ее аннигиляцию в фотоны, а также определить, в какой мере она все-таки является столкновительной, из структуры темного галактического гало (в т.ч. в центре) и количества спутников массивных галактик. Наконец, главной целью исследования темной энергии во Вселенной является поиск слабого отличия ее тензора энергии-импульса от точной космологической постоянной. Пока никакого отличия не найдено на уровне относительной точности ~ 10%, однако я приведу аргументы, почему такой поиск не безнадежен. Один из простейших классов моделей темной энергии, альтернативных космологической постоянной, строится на основе f(R) гравитации.
Взгляды на природу исходного состояния, с которого началась эволюция Вселенной, постоянно носят философский характер. Так было, когда по этому поводу высказывались древнегреческие философы, располагавшие ничтожным багажом теоретических и эмпирических знаний; так обстоит дело и в настоящее время, когда этой проблемой занимаются ученые, в распоряжении которых имеются развернутые физические теории, изысканный математический аппарат и широкий диапазон эмпирических данных. Античных и современных исследователей этой проблемы объединяет уверенность в том, что исходное состояние Вселенной было простейшим из возможных. Для древних, таким состоянием был некий первичный хаос. Что касается современных космологов, то их суждения по поводу того, какое состояние Вселенной следует признать простейшим, достаточно разнообразны. Так, например, для бельгийского аббата и ученого Ж. Леметра простейшим из всех возможных состояний было такое состояние Вселенной, при котором вся материя содержалась бы в одном атомном ядре. Г. Гамов в качестве простейшего состояния рассматривал Вселенную, имеющую вид крайне разряженного состояния.
В современной науке широкое обсуждение получил вопрос о взаимосвязи и взаимообусловленности человека и Вселенной, который звучит следующим образом: почему предпосылки возникновения человека и человеческого разума во Вселенной оказываются обеспеченными уже на уровне фундаментальных законов природы и на стадии первичной плазмы, из которых возникла данная Вселенная? Ответ на этот вопрос ученые пытаются найти в антропном космологическом принципе, который был впервые сформулирован в 1967г. Д. Дикке, и развит в дальнейшем американским космологом Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип».
Суть антропного космологического принципа (АКП) заключается в том, что жизнь и разум во Вселенной возможны только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни и разума было бы, в принципе, невозможно.
Действительно, почему природа устроена именно так, а не иначе? Ведь существует логическая возможность иных Вселенных, управляемых иными законами. Известно, что имеются фундаментальные физические постоянные (постоянная тяготения, постоянная Планка, заряда электрона, массы электрона и протона, скорости света и др.), а также некоторые космологические параметры, определяющие глобальные свойства нашего мира. Они случайны или необходимы? Ведь даже небольшое изменение одного из параметров, если бы оно произошло в действительности, вывело бы из строя одно или несколько звеньев «тонко надстроенной» эволюционной цепи, необходимой для возникновения во Вселенной устойчивых структур (ядер, атомов, звезд и т.д.), которое образует основу нашего высокоорганизованного мира. По словам Картера, антропный космологический принцип разумно было бы считать «реакцией против чрезмерно слепого следования принципу Коперника», запрещающему человеку ставить себя в привилегированное положение во Вселенной. АКП претендует, по существу, на объяснение именно выделенности той космологической эпохи, в которую во Вселенной существуют разумные существа. Таким образом, АКП констатирует необходимую связь между наличием во Вселенной разумных существ и фундаментальными физическими параметрами нашего мира, которые делают это возможным. В современном виде АКП был сформулирован в 70-е годы в двух вариантах: слабом и сильном. Суть «слабого» АКП, по словам Картера в том, что «наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием в качестве наблюдателей». Мы видим Вселенную такой, какая она есть потому, что будь она другой, нас бы не было, и мы не могли бы её наблюдать.
«Сильный» АКП утверждает, что Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Это вариант АКП очень хорошо укладывается в религиозную концепцию программирования жизни, поскольку приводит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление «наблюдателя» на определенном этапе её развития. И что создание условий для появления «наблюдателя» является целью развития Вселенной. Но креоционистская концепция не выдерживает критики даже с позиций формальной логики. Ведь если Бог сотворил мир, то кто сотворил Бога, и если Бог создал сам себя, то почему мир тоже не мог сотворить себя сам?
Единственным корректным выходом из данной ситуации является введение определённых онтологических допущений, естественным образом объясняющих «тонкую под-стройку» физических параметров. Её можно истолковать, например, как «счастливую случайность», постулировав множество Вселенных, в которых реализуются всевозможные комбинации параметров. Одна (или несколько) из Вселенных этого потенциально бесконечного множества оказывается случайно наделенной всеми условиями, необходимыми для формирования высокоорганизованных структур, жизни и разума.
АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПРЕЗИДЕНТЕ РБ
Институт Государственного управления
РЕФЕРАТ
Антропный космологический принцип:
его естественнонаучный и
философско-методологический смысл
Выполнил Яковлев Р. А.
МИНСК 2002 АНТРОПНЫЙ КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП: ЕГО ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ И ФИЛОСОФСКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ СМЫСЛ
Гармония мира есть источник всякой красоты. Мы должны ценить те медленные и тяжелые шаги вперед, которые мало-помалу открывают ее нам.
А. Пуанкаре,
французский физик-теоретик
Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или вакуума, вызывает у мыслящего человека немало удивления. Но этим дело не ограничивается: по мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемыми фундаментальными постоянными, которые нередко называют еще мировыми константами.
Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это - универсальные постоянные. Специфические свойства отдельных систем зависят от тех или иных законов движения и различных начальных условий.
Однако такие параметры любых систем, как размер, масса, время жизни и другие, с точностью до порядка величины часто определяются исключительно значениями таких фундаментальных постоянных, как гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света, масса электрона, масса протона и др.
Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико. Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Некоторые универсальные постоянные только что названы, но для определенности дальнейшего изложения приведем в сокращенном виде суммарный список универсальных констант и некоторых производных величин.
Приведем примеры зависимости организации и свойств материи Вселенной от мировых констант. Вещество, из которого первоначально образовались звезды и галактики, состояло из водорода (3/4) и гелия (1/4).
Откуда взялись все более тяжелые химические элементы, без которых не могла возникнуть жизнь? Теперь известно, что они синтезируются в недрах звезд. Но как они попадают наружу? Когда массивная звезда исчерпает запасы ядерного топлива (водорода), ее ядро становится неустойчивым для гравитационного сжатия и она взрывается. При этом выделяется огромное количество гравитационной энергии, большая часть которой уносится мельчайшими частицами нейтрино. Такая грандиозная вспышка называется сверхновой звездой, или просто сверхновой. Взрыв сверхновой разбрасывает по галактике обогащенное тяжелыми металлами вещество проэволюционировавшей звезды. А когда образуется новое поколение звезд и планеты, то строительным материалом для них служит разбросанный пепел умерших звезд. В этом смысле наша планета и мы сами произошли из звездного пепла.
В результате взрыва сверхновой образуется и вырывается наружу огромное множество нейтрино. Полагают, что давление, вызываемое потоком нейтрино, способно сорвать с ядра звезды ее оболочку и разметать в пространстве.
Из списка универсальных констант видно; что гравитационная постоянная очень мала, поэтому гравитационные взаимодействия очень слабы. Так, гравитационное взаимодействие между двумя атомами примерно на 40 порядков слабее электромагнитных взаимодействий. Но будь гравитация значительно сильнее, структура Вселенной коренным образом изменилась бы.
Аналогично и другие универсальные постоянные чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные величины возникли на ранних этапах Вселенной, когда этих объектов еще не существовало, то мы имеем все основания, говорить, что универсальные постоянные ПРЕДОПРЕДЕЛЯЮТ структуру нашей Вселенной.
Однако многие исследователи пугаются этого слова, так как предзаданность, или предопределенность, считают уделом мистики. Но при этом они странным образом не замечают того, что сами, и при этом очень широко, пользуются такой методикой исследования, по крайней мере, при рассмотрении всех ретроспективных проблем.
Это относится к онтологическому и методологическому аспектам исследования. В самом деле, продвигаясь ретроспективно к началу расширения Вселенной, ученые исходят из существующих частиц, типов взаимодействия и законов. С учетом настоящего (предзаданного) они пытаются восстановить события прошлого такими, чтобы из них прийти к настоящему. То есть весь процесс поиска прошлого ориентирован на настоящее и существенно определяется знанием настоящего, знанием существующих частиц, взаимодействий, законов как предзаданного.
Но дело не ограничивается тем, что универсальные фундаментальные постоянные предопределяют строение и свойства нашей Вселенной. Кроме того, нужно принять во внимание и то, что все (Вселенная) рождается из ничего (в конечном счете, из первородного космического вакуума), и притом рождается в гигантском пламени Большого взрыва. Тогда неизбежно возникает вопрос: откуда взялись все эти мировые константы?
Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль.
Прежде всего, необходимо уяснить философский (метафизический) смысл этого факта. Многие авторы допускают возможность случайности той или иной мировой константы, что в принципе неверно. Неотъемлемым свойством случайных событий является их скоротечность, изменчивость, быстрая сменяемость, что не совместимо с фундаментальными постоянными, которые неизменны и действуют на протяжении 15-20 млрд. лет. Уже одно это свидетельствует о какой-то их необходимости. Кроме того, упускается из виду то, что случайность и необходимость основаны на причинности (в мире нет беспричинных явлений). Более того, случайность и необходимость строятся из одного и того же множества причинно-следственных связей, только интегрируются векторные причинности по-разному: случайность - это узел или точка пересечения множества причинностей, а необходимость - их геометрическая сумма.
Поэтому если даже мысленно допустить (без всякого на то основания) случайность некоторой константы, то для ансамбля мировых констант это исключено, так как согласованное связанное и устойчивое множество фундаментальных величин не есть случайность.
Теперь поставленный выше вопрос приобретает более острое звучание. Если наблюдаемая физическая Вселенная предопределяется согласованным набором фундаментальных величин, то откуда взялся этот гармоничный ансамбль универсальных величин? В исходном космическом вакууме он вряд ли задан. Ученые давно обратили внимание на все это, но никакого физического принципа никто не выдвинул, чтобы физически объяснить происхождение гармонии универсальных величин.
Более того, исследователи подметили еще одну удивительную особенность, связанную с совпадением больших чисел, которая направила их на поиски объяснения причин развития Вселенной не в физике, а совсем в другой области, далекой от физики, - в антропологическом принципе космологии. Речь конкретно идет о числе 10 40 , которым почему-то выражаются разные фундаментальные величины и их соотношения.
Вокруг этого принципа до сих пор бушуют страсти. Хотя число 10 40 получается путем округления, этим не подрывается строгость выводов, потому что для такого гигантского числа даже погрешность в 10 2 ничтожно мала. Кроме того, это число можно получить из разных посылок. Важно другое: число 10 40 полностью составлено из фундаментальных постоянных величин, поэтому имеет фундаментальный смысл.
На совпадение больших чисел ученые обратили внимание давно. В 30-е годы известный физик-теоретик Поль Дирак попытался дать этому физическое объяснение, которое, однако, исходило из предположения, что гравитационная постоянная изменяется со временем, как и постоянная Хаббла, определяющая возраст Вселенной. Однако неизменность гравитационной постоянной подтверждается всеми данными теоретических и опытных исследований.
Обычно в физике «наблюдатель» не принимается во внимание. Ряд ученых подвергли сомнению это предположение, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его, и неотделимо в самом фундаментальном смысле.
Они утверждают, что действительно существует некий принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку Вселенной. Только это не физический, а антропный принцип. Такую мысль развивали А. Эддингтон, П. Дирак, Дж. Барроу, Р. Дикке, Б. Картер и др.
Р. Дикке одним из первых привлек биологию для объяснения непонятной особенности Вселенной, которая весьма специфична. В 1961 году он заявил об ошибочности поисков физического объяснения особенностей Вселенной. Аргументы Р. Дикке обосновывают, что гравитационная постоянная тонкой структуры в качестве мировой константы детерминирует эволюцию Вселенной в направлении, ведущем к возникновению человека, и что возникновение человека становится возможным тогда, когда возраст Вселенной (t now) сравняется с числовым значением .Таким образом, биологическое объяснение фундаментальной особенности Вселенной увенчалось успехом там, где теоретическая физика потерпела неудачу.
Как видим, рассуждения Р. Дикке вполне логичны. Поэтому идею антропного принципа можно считать научно обоснованной.
Казалось бы, здесь все логично, ясно и обоснованно. Но именно с этого пункта начинается разнобой особых мнений и взглядов на антропный принцип космологии. Точнее говоря, существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной (антинаучной) идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования. Причина этого, на наш взгляд, в мировоззренческих основаниях - в атеистических предубеждениях одних и размытости мировоззренческой составляющей других.
Так, П. Девис сетует на то, что выводы Р. Дикке не согласуются с коперниковской традицией, отрицающей привилегированное положение Земли в пространстве. Однако Р. Дикке относительно пространственной выделенности t now вообще ничего не говорит, величина t now сама за себя говорит о выделенности ее лишь во времени, поэтому указанное сомнение П. Девиса снимается. Иногда в качестве возражения указывается на то, что антропный принцип (АП) не соответствует принципу относительности классической и релятивистской физики. Во-первых, это некорректное возражение, поскольку принцип относительности касается лишь движения систем отсчета друг относительно друга, а в данном случае речь идет об эволюции Вселенной. Во-вторых, что касается другого смыслового аспекта относительности - инвариантности систем отсчета, то в этом отношении мировые константы являются образцом постоянства своего действия.
Антропный принцип требует в центр проблемы выдвинуть одну константу - хаббловский возраст Вселенной (точнее t now). И далее требуется установить ее связь с другими величинами, которые характеризуются столь же большими значениями (10 40).
Однако такая расширенная постановка вопроса пока что не проработана. Чтобы сохранить антропный, принцип для расширенного случая, саму формулировку АП усиливают и называют это сильным антропным принципом.
В формулировке Б. Картера сильный АП выглядит так: «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателя».
В сопоставлении с этим характеристику АП, данную Робертом Дикке, Брандон Картер обозначил как слабый антропный принцип. Р. Дикке так раскрывает смысл слабого АП: наше существование как наблюдателей, состоящих из соединений углерода, объясняет равенство двух разных отношений одному и тому же большому числу:
В отличие от этого сильный АП, расширенный по содержанию, физически еще не обоснован, поэтому вызывает скепсис многих авторов. Скепсис, который обычно не подтверждается никаким анализом и никакими серьезными аргументами. Для примера обратимся к высказыванию серьезного автора, каковым является П. Девис. Сильный антропный принцип «представляет собой радикальный отход от традиционной общей концепции научного объяснения. По существу, он утверждает, что Вселенная приспособлена для существования жизни и что как законы физики, так и начальные условия подстраиваются таким образом, чтобы гарантировать появление жизни. В этом отношении сильный антропный принцип сродни традиционному религиозному объяснению мира: Бог сотворил мир, чтобы люди населяли его».
А суть дела проста и состоит в идее предопределенности: исходные мировые константы предопределяют последующую эволюцию Вселенной. Эту идею и не приемлет Девис, но выше отмечалось, что идея предзаданности онтологически и методологически оправдана. Она идет от Аристотеля и широко используется в науке, во всех ретроспективных научных исследованиях.
Таким образом, слабый антропный принцип, на наш взгляд, можно считать хорошо обоснованным логически и физически. Сильный антропный принцип еще не получил достаточного физического обоснования, но логически связан с первым и дополняет его.
Идея антропного принципа в формулировке Р. Дикке не нуждается в защите, так как ее автор превосходно сделал это сам. Мы лишь старались подчеркнуть логичность его рассуждений и корректность его аргументации. Равносильного преодоления аргументации Р. Дикке, насколько нам известно, не существует и вряд ли это возможно.
Но, несмотря на нашу приверженность антропному принципу, нас не вполне удовлетворяют аргументы сторонников этого принципа и, тем более, его противников. Общим недостатком тех и других является то, что они ограничиваются рассмотрением лишь внешних условий, а именно мировых констант, и, исходя из них, пытаются обосновать или опровергнуть АП.
Необходимо осознать, что условия, сколь бы фундаментальными они ни были, не раскрывают эволюции Вселенной в ее необходимости. Нам представляется, что понять эту необходимость можно лишь на основе ближайших причин, которые по своей фундаментальности должны быть сравнимы с мировыми константами. Вместе с тем, поскольку они являются ближайшими, то по необходимости должны изменяться в эволюции Вселенной. Иначе говоря, мировые постоянные должны быть дополнены мировыми переменными величинами. Наукой и философией такие переменные величины установлены, хотя их список, возможно, еще не является полным.
Переменными эти величины являются в том смысле, что в эволюции материальных систем они качественно изменяются, развиваются. Так, отражение - всеобщее свойство материи, но оно способно к развитию, воплощаясь в качественно различные формы: элементарное отражение на уровне физико-химических взаимодействий, раздражимость на уровне живой протоплазмы и, далее, в виде ощущений, восприятий, воображения, мышления. К качественным изменениям способно и другое всеобщее свойство материи - саморегуляция, которая может выступать и в примитивной форме, выражаемой принципом Ле Шателье-Брауна, в виде гомеостаза и в разных видах психической саморегуляции, и в виде социальной саморегуляции. Активность также способна к развитию и также воплощается в разные формы взаимодействия и деятельности.
Идея дополнения мировых констант универсальными переменными величинами, на наш взгляд, является конструктивной и эвристичной. Даже из краткой и беглой наметки этой идеи можно вывести ряд нетривиальных следствий, проливающих свет, казалось бы, на неразрешимые вопросы. Укажем два таких следствия.
1. Поскольку жизнь и разум производны от развития одних и тех же всеобщих свойств материи, указанных выше, то они (жизнь и разум) должны быть сопоставимыми для разных планетных систем и галактик. Если на разных планетах продолжительность их развития совпадает, то и сами они по необходимости должны быть подобными. При разной продолжительности развития жизни разум на одной планете может отличаться сколь угодно существенно от разума на другой планете, но не настолько, чтобы исключить в принципе понимание друг друга. Поэтому утверждения о цивилизации в виде «черного облака» (Ф. Хойл), «океана мыслящей плазмы» (С. Лем), «разумной плесени» (А. Н. Колмогоров) мы рассматриваем как шутки выдающихся авторов.
Таким образом, обосновывается возможность экстраполяции земных условий на космические.
2. Из той же посылки можно сделать еще один вывод, возвышающий земные представления до космического уровня. В самом деле, поскольку жизнь и разум на планетах Галактики и Метагалактики производны от набора одних и тех же всеобщих свойств материи, то, раскрывая природу земного разума через эти всеобщие свойства, мы преодолеваем антропоморфизм и геоцентризм и поднимаемся до уровня космологической характеристики.
Таким образом, для конструктивного понимания эволюции материи Вселенной нужно исходить не только из фундаментальных постоянных величин в виде мировых констант, но и из не менее переменных величин в виде всеобщих свойств материи, которые образуют ближайшее основание эволюции и позволяют понять ее в ее необходимости. Этим открываются дополнительные возможности для обоснования и развития антропологического принципа космологии.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
Мотылева Л. С., Скоробогатов В. А., Судариков А. М. Концепции современного естествознания. – СПб.: Издательство Союз, 2000. – 320с.
Теория эволюции Вселенной дает ответы далеко не на все вопросы, например неясен пока характер дальнейшей эволюции Вселенной. Теория допускает два сценария: бесконечное расширение (модель открытой Вселенной) и смена расширения сжатием, возвращение в сверхплотное и сверхгорячее состояние, после чего следует цикл нового расширения (модель пульсирующей Вселенной) . Реализация того или иного варианта зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность не превышает некоторого критического значения, то реализуется модель открытой Вселенной, в противном случае Вселенная пульсирует. Современные данные свидетельствуют в пользу модели открытой Вселенной, однако возможно, что открытие новых космических объектов изменит ситуацию.
Легче всего оценить плотность светящегося вещества, которая составляет 0.5% критической. Однако во Вселенной есть и несветящееся, невидимое вещество, называемое темной энергией или темной массой. Самый первый довод в пользу существования темной материи, основанный на изучении движения галактик, привел швейцарский астроном Фриц Цвикки (30-е годы ХХ века) – массы галактик недостаточно, чтобы удержать их от разлета. Если бы не было скрытого вещества, составляющего более 90% галактик, то они распались бы за несколько миллиардов лет, в то время их возраст составляет около 13 млрд лет.
В настоящее время считается, что большая часть невидимой материи существует в виде принципиально несветящегося вещества, состоящего из частиц, крайне слабо взаимодействующих с обычным веществом, светом и друг с другом (нейтрино). Наилучшее совпадение с данными наблюдений имеет космологическая модель, в которой плотность примерно равна критической, при этом на вакуум приходится 65%, на холодную темную материю – 30%, на барионную скрытую массу – 5%, на нейтрино и видимое вещество – по 0.5%.
Фундаментальные константы и антропный принцип.
Во всех разделах физики приходится иметь дело с постоянными величинами, т.н. константами. Существует ограниченный набор физических постоянных, связанных с важнейшими физическими теориями, которые называются фундаментальными константами.
Среди фундаментальных констант можно условно выделить мировые,
электромагнитные, атомные и физико-химические. Фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В современном естествознании считается, что мировые константы стабильны, начиная со времени 10 -35 начиная с рождения Вселенной.
М. Планк предлагал добавить к первым трем фундаментальным константам постоянную Больцмана (к=1.38 10 23 Дж/(К моль), т.к. она устанавливает связь между микроскопическими характеристиками частицы и макроскопическим состоянием системы.
Установлено, что существование основных структурных элементов материи (атомных ядер, звезд, галактик) во Вселенной связано возможно лишь в очень узком диапазоне численных значений фундаментальных констант. Расчеты показали, что их малые изменения на ранней стадии формирования Вселенной могли бы привести к формированию качественно иного мира, в частности стало бы невозможно образование макроскопических структур, а следовательно и образование высокоорганизованной живой матери. Вопрос о причинах попадания численных значений мировых констант в узкий диапазон, обеспечивающий возникновение разумной жизни, нашел отражение в антропном принципе, предложенном Г. Идлисом в 1958 г. И Б. Картером с 1974 г. Антропный принцип сформулирован в слабом и сильном вариантах:
Слабый антропный принцип – на свойства Вселенной накладывает ограничение наличие разумной жизни;
Сильный антропный принцип – свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно существовала жизнь.
Антропный принцип – пример взаимозависимости фундаментальных вопросы естествознания и мировоззренческих вопросов. В тех областях, где недостаточность знания существует принципиально, большую роль играют вненаучные факторы, эстетические предпочтения или религиозное мировоззрение. Антропный принцип признает некий высший порядок, выбравший реализованный вариант эволюции Вселенной.
Антропный принцип не отвергает также возможность существования других Вселенных. Предполагая, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах и применяя антропный принцип, можно прийти к выводу о закономерности возникновения и широком распространении жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип с точки зрения физики и философии отвергает возможность уникальности земной жизни.
