Реферат: Антропный принцип и мега-история Вселенной
Как уже отмечалось ранее, согласно стандартной модели космогонии Лемэтра-Гамова, наш космос «стартовал» примерно 13-17 миллиардов лет назад «большим взрывом» чрезвычайно плотной и горячей материи (начальная сингулярность, неопределенное физическое состояние) и прошел с тех пор длинную историю развития. Сам момент «начала взрыва», его причина, физически мало понятен, если не сказать, что совсем не понятен, и современной физикой пока не понят до конца, но считается, что по прошествии одной миллионной доли секунды дальнейшее развитие может быть описано с помощью известных в физике законов микромира и природы в целом.
Через 100 секунд температура все еще составляла миллиард градусов; 25% ядер водорода превратилось в ядра гелия. Через 400 000-700 000 лет возникли нейтральные атомы водорода, примерно через один миллиард лет образуются первые звезды, галактики и тяжелые химические элементы в недрах массивных звезд. Процесс образования галактик — в противоположность возникновению звезд и синтезу элементов — понят пока недостаточно хорошо. Из первоначального количества водорода в звездах около 2% ушло на синтез таких важных для жизни элементов, как углерод, азот и кислород (некоторые подробности образования этих элементов будут обсуждены ниже).
Русский философ и драматург Александр Сухово-Кобылин, создатель «философии Всемира», которого можно, по этой причине считать одним из предтеч антропного принципа, в конце XIX века обосновывал идею, что жизнь в своем развитии должна была пройти три стадии: галактическую, сидерическую (звездную) и теллурическую (планетную). Точнее, он писал о стадиях развития цивилизации, поскольку он тогда не знал об истинных масштабах Вселенной, но позволим себе несколько переиначить его основную мысль. Предвидение Сухово-Кобылина оказалось пророческим. Как мы теперь знаем, в нашей Галактике благоприятные для развития жизни стадии создались и были пройдены в Солнечной системе на планете Земля.
Галактический пояс жизни. Наша Галактика, как и многие другие, имеет вращающуюся вокруг собственного центра спиральную структуру. Любой вращающийся объект имеет две скорости: угловую (или вращательную) и линейную. Если объектом является некоторое твердое тело, то при постоянстве его угловой скорости, линейные растут пропорционально удалению от центра вращения.
С нашей Галактикой все обстоит не так, и это ее первая тонкая и чрезвычайно существенная для нашего рассмотрения особенность (или тонкая согласованность ее частей). Именно линейная скорость вращающихся частей в ней сохраняется практически одинаковой до гигантских расстояний 18 кпк (килопарсек) от центра и равняется примерно 220-230 км/с. Этот факт свидетельствует о том, что по мере удаления от центра угловая скорость уменьшается. Это приводит к «запаздыванию» вращения внешних частей по отношению к внутренним и, в конечном счете, как итог, ведет к спиральности всей галактической системы. Как результат такого замедления вращения, по мере удаления от центра, на периферии галактики возникают специфические волны плотности, проявляющиеся в виде спиральных ветвей или рукавов. У нашей Галактики таких рукавов всего два — рукав Стрельца и рукав Персея. Принципиальным моментом в данном случае является то, что скорость вращения этих рукавов постоянна и, более того, именно на этом удалении, называемом коротационным кругом, и сама Галактика и ее рукава вращаются синхронно. Совершается это, конечно, в некотором весьма узком (по галактическим масштабам) кольце — торе радиусом всего 250 парсек, содержащем коротационный круг. Именно в зоне коротации (от англ. corotation — совместное вращение), единственной, особо выделенной, специфической зоне в каждой спиральной галактике, в ней, по мнению астрономов и астрофизиков, находится наше Солнце. Специфичность зоны коротации, прежде всего, определяется особыми условиями образования звезд. Вне пределов зоны коротации звезды подвергаются риску быть разрушенными мощнейшими ударными волнами. «Спокойная жизнь» нашего светила и его планет началась только тогда, когда они покинули место рождения нашей звезды, предположительно рукав Стрельца, и вышли в пространство между спиральными рукавами, где пребывают в благополучии до сих пор, и будут так пребывать еще не менее 10 миллиардов лет.
Базовые параметры Солнца и Земли. Продолжая поиск уникальных особенностей, определяющих сущность антропного принципа и породивших, в конце концов, жизнь, должно теперь сказать несколько слов о Солнце. Наше светило, как будто бы рядовая звезда, и тогда все ее проблемы — это проблемы общие астрофизические. Так ли это на самом деле? Если это так, то астрофизикам должны быть известны мириады «двойников» нашего Солнца. Детальный анализ спектров звезд класса нашего светила, так называемых желтых карликов, показал, что Солнце — не такая уж рядовая звезда. Пока не обнаружено ни одной звезды, которую можно было бы назвать «двойником» Солнца! Ни одна из множества исследованных звезд не обладает одновременно такими же физическими характеристиками, как температура, масса, радиус, определяющие ускорение силы тяжести, светимость, содержание металлов и микротурбулентность, какие есть у нашего Солнца. Французские астрономы, в течение 10 лет искавшие хотя бы еще одно похожее на Солнце светило, смогли обнаружить в созвездии Кормы довольно слабую звездочку, не отличающуюся от Солнца по возрасту, массе, температуре и некоторым другим показателям. Но все-таки совсем уж похожей на Солнце ее считать нельзя, так как в ней оказалось в несколько раз больше тяжелых металлов, чем в нашей звезде.
Вышесказанное о Солнце позволяет отнести его к уникальным, необычным звездным объектам. Если же соглашаться далее с некоторыми учеными, что наша планета Земля — единственная обитаемая планета в доступной для исследования части Вселенной, то возникает законный вопрос: не связана ли уникальность жизни на Земле с уникальностью физических условий на Солнце? По-видимому, исключить этого нельзя.
Уникальна также сама Земля, множество ее параметров. Мы хотели бы обратить внимание только на некоторые. Прежде всего, положение нашей планеты в солнечной системе. Расстояние от Солнца составляет около 150 млн. км. Если бы оно было всего на 8 млн. км меньше, то не могла бы возникнуть конденсация водяного пара и не образовались бы океаны, на планете главенствовал бы углекислый газ; если бы наша планета была удалена от Солнца всего на 2 млн. км дальше (!), то образовались бы ледники (как на Марсе), так что и в первом и во втором случаях возникновение жизни стало бы весьма проблематичным. Критичной также оказывается скорость движения Земли по околосолнечной орбите. Если бы она составляла всего 3 км/с, то Земля довольно скоро влетела бы в Солнце, если бы она была больше 41 км/с, то тогда Земля навечно покинула бы Солнечную систему; скорость же Земли составляет золотую середину — 30 км/с.
Известно, что доля кислорода в атмосфере составляет сейчас 21%, что предопределяет спокойное существование человека, появившегося на планете всего-то несколько миллионов лет назад (по мнению большинства исследователей). Если в атмосфере доля кислорода составляет всего 15-18%, то невозможным оказывается горение. Если же эта доля превзойдет предел 30% (по гипотезе русского геофизика Олега Сорохтина, кислород идет из недр земных в результате конвективного движения мантии от расплавленного ядра Земли к земной коре и обратно, высвобождая кислород при переплавке окислов в ядре), что, как видно, вполне возможно, то тогда будет гореть все и пожар этот не затушить! Опять же, современная доля кислорода критична! Список других уникальных параметров Земли можно продолжать долго.
Тонкая согласованность физических законов и мировых констант
Теперь вернемся к сидерическому и, еще раз, к галактическому этапам развития Вселенной. Особо впечатляющий пример тонкой согласованности встречается в механизме образования ядер углерода — ядер того химического элемента, наличие которого является одним из необходимых условий возникновения жизни.
Непосредственно после «большого взрыва» возникли только легкие элементы, точнее, их ядра, — ядра водорода, гелия и лития. Последующие, более тяжелые ядра, должны были рождаться в недрах звезд или при их взрывах, как установлено в астрофизике. Было установлено, после многих лет драматических исследований, что ядро углерода может образоваться, если прежде слились два ядра гелия-4 и образовали возбужденное ядро бериллия — 8 (4 и 8 — это числа нуклонов в ядрах), с которым резонансно, т. е. при наличии «разрешенного» энергетического уровня в ядре углерода, сливается еще одно ядро гелия-4. Когда известный физик и космолог англичанин Фред Хойл в 1954 году теоретически предложил такой вариант реакции, экспериментаторам не был известен такой «разрешенный уровень», но поразительно, что позднее этот уровень все же обнаружился и составил энергию всего-то на 4% выше массовых энергий (по Эйнштейну) соударяющихся партнеров. Это удивительное (опять удивительное!) совпадение обусловлено очень сложной картиной сильного (ядерного) взаимодействия в ядре углерода. Недостающая доля энергии легко добавляется за счет кинетической энергии соударяющихся ядер.
Еще более удивительно, что углерод, по только что указанной схеме, не преобразуется тотчас же в кислород, в результате чего углерода вообще не было бы. Кислород-16 (точнее, его ядро) имеет в действительности один резонансно подозрительный (поскольку здесь идет охота за чудесами) энергетический уровень, но для эффективного протекания реакции он лежит всего лишь на 1% ниже, чем это было бы необходимо. Дисбаланс энергий, которой переизбыток, не может быть в этом случае скомпенсирован за счет кинетической энергии, так как кинетическая энергия всегда положительна. Фред Хойл позже сознался: «Ничто не поколебало мой атеизм сильнее, чем это открытие». Ему вторит и известнейший популяризатор науки, физик Поль Девис, заявивший, что здесь мы встречаемся с элементами космического плана (или, если угодно, Божьего промысла — это уже заявление от нас). Сегодня известно большое число тонких согласований:
в стандартной космологической модели скорость расширения Вселенной и силы тяжести согласованы друг с другом с точностью до соотношения 10-55, т. е. чудовищно точно. Если бы расширение Вселенной происходило быстрее, то галактики и звезды не образовались бы; не создались бы и благоприятные условия для жизни. Если бы этот процесс протекал медленнее, то Вселенная пережила бы коллапс (схло-пывание) еще до образования хотя бы одной звезды;
если бы физические константы сильного взаимодействия были всего лишь на 0,3% больше или на 2% меньше, то не было бы никакой жизни, так как они либо не смогли бы образоваться, либо образовались бы только они, и не смогли бы образоваться атомы;
то же относится к постоянной тонкой структуры, введенной в начале квантовой эры немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом и равной 1/137. В этой мировой постоянной воедино связаны заряд электрона, скорость света и постоянная Планка, т. е. все три мировые константы. Все это говорит о ее исключительной важности в природе. И действительно, ее отклонение в ту или иную сторону на несколько процентов от существующей не позволило бы возникнуть большинству звезд с критическими параметрами для производства элементов. Была бы она несколько меньше — не было бы звезд с массой меньшей, чем 0,7 массы Солнца, была бы эта постоянная несколько больше — не было бы звезд с массой меньшей, чем 1,8 массы Солнца. Отклонение перечисленных параметров и величин на несколько процентов воспрепятствовало бы возникновению и самой жизни. Важно отметить, что обсуждаемые тонкие согласованности законов Вселенной не являются продуктом приспособляемости, как они трактуются в эволюционной биологии. Это не целесообразный результат «космической эволюции», а выявленные и глубже пока не обоснованные предпосылки жизни.
Магия (мистика) больших чисел
В проблеме обоснования и истолкования антропного принципа некоторых исследователей завораживает магия или мистика чисел. Исторически вера в числа пошла от Пифагора, в основе натурфилософского учения о Вселенной у которого лежало натуральное число («самое мудрое в мире — число