Часть 1.

АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП И “КОСМОЛОГИЯ ДУХА”

Ю.А. Жданов, Л.А. Минасян

“Космология духа” – сочинение выдающегося русского философа Э.В. Ильенкова (1924 – 1979), которое не получило серьезного анализа и, соответственно, должной оценки в научной и критической литературе. Возможно, это связано с самим жанром произведения, которое автор охарактеризовал как “философско-поэтическую фантасмагорию, опирающуюся на принципы диалектического материализма”. Возможно потому, что в нем выдвигается смелая гипотеза о взаимопревращении материи и мыслящего духа, сознания, и сам автор не склонен был к опубликованию работы, считая, что эта гипотеза намного опережает данные естественных наук. Хотя работа была написана в 50-е гг., в свет она вышла только в 1991 г. [1]. Тем не менее “переоткрытие” в физике и космологии в конце 70-х гг. антропного принципа требовало философского осмысления проблемы, в которой и на сегодняшний день, несмотря на широкое обсуждение вопроса, много неясного и недосказанного. Представляется, что философско-методологическая подоплека антропного принципа полностью сводима к гипотезе, высказанной Э.В. Ильенковым. Это послужило импульсом для написания настоящей статьи и определило ее структуру.

1. Гипотеза Э.В. Ильенкова и ее методологическая основа

Прежде чем сформулировать гипотезу, Ильенков определяет методологический базис, на котором эта гипотеза основывается. Во-первых, он рассматривает материю как всеобщую субстанцию, подчеркивая, что материя – “не только чисто гносеологическая категория” [1, с. 416]. Во-вторых, “как субстанция, материя не может быть представлена как простая сумма “конечных” частей, и все теоретические положения, верные по отношению к каждой из ее конечных частей, становятся неверными по отношению к материи в целом” [там же]. В-третьих, “не только мышление не может существовать без материи (это признает всякий материалист…), но и материя не может существовать без мышления, – это положение может признавать только материалист-диалектик, материалист типа Спинозы. Как нет мышления без материи, понимаемой как субстанция, так нет и материи без мышления, понимаемого как ее атрибут” [там же]. В-четвертых, любая философская система, за исключением агностических или скептических, вынуждена принять, “что мыслящий мозг есть абсолютно высшая форма организации материи, а мышление, как способность мозга, – столь же абсолютно высший предел, которого мировая материя может достигнуть вообще в своем поступательном движении” [1, с. 418-419]. Автор подчеркивает, что различия между материализмом и идеализмом идут по иной линии – по линии истолкования самого мышления и его взаимоотношений с материальным миром. “Но в признании мышления как абсолютно высшей формы развития мироздания одинаково сходятся все системы философии” [1, с. 419]. В-пятых, “мышление (взятое не в узкогносеологическом аспекте, а в плане его места и роли среди других форм движения и развития материи) – тоже форма движения материи, притом абсолютно-высшая его форма” [1, с. 430]. В-шестых, необходимые процессы развития материи как субстанции на какой-то ступени рождают мыслящий мозг как атрибут. В понятие же атрибута входит, что данная форма движения материи представляет собой абсолютно необходимый продукт ее существования – “тем самым абсолютно необходимое, не могущее исчезнуть, условие ее бесконечного существования” [1, с. 431].

Гипотеза Ильенкова касается места и роли мыслящего духа в процессе постоянного возрождения миров. Естественнонаучная практика, отмечает он, еще не показала обратного “тепловой смерти” процесса – процесса возрождения умерших миров. Каждая из этих проблем, рассматриваемая порознь, в абстракции от другой, до сих пор не разрешена наукой. Автор задается вопросами, которые не только не противоречат материализму, но являются естественными для материализма диалектического: “Почему бы не предположить, что этот обратный процесс совершается при участии мыслящей материи, мыслящего духа – как одного из атрибутов мировой материи – и что без его участия, без его помощи этот процесс невозможен и немыслим?” [1, с. 429]. “Следовательно, появление мыслящего духа в русле мирового круговорота – вовсе не случайность, которой с равным правом могло и не быть, а внутренне-полагаемое условие его собственного осуществления. Иначе это – не атрибут, а лишь “модус” [1, с. 431]. “Не окажется ли, что эта проблема принципиально неразрешима вне исследования тех факторов, которые привносит с собой в ход мирового процесса мыслящий дух, тех условий, которые создаются при его непременном участии?” [1, с. 426].

Свою гипотезу Э.В. Ильенков назвал попыткой установить в общих чертах объективную роль мыслящей материи в системе мирового взаимодействия, убедительно доказывая, что диалектический материализм вовсе не отвергает факта обратного воздействия мышления на материальные процессы. Иначе “высший цвет материи” оказывается попросту “пустоцветом” – красивым, но абсолютно бесплодным цветком… Все действительное развитие мировой материи в этом случае происходит рядом с его развитием, совершенно независимо от него, и его появление абсолютно никак не сказывается на судьбах всеобщего развития” [1, с. 432]. “Вряд ли такая роль соответствует месту мышления в системе форм движения мировой материи. Высшая форма ее движения не может быть самой бесплодной и самой ненужной из всех. Гораздо больше оснований предположить, что мыслящая материя – как высшая качественно форма движения всеобщей материи – играет немаловажную роль в процессе всеобщего круговорота – роль, соответствующую сложности и высоте ее организации” [там же].

Представляется, что пафос высказанной Ильенковым гипотезы имеет тот же вектор, что и вывод о “человекомерности Вселенной” [2], сделанный на основе анализа антропного принципа. Однако практически все авторы, рассуждающие об антропном принципе, не переходят ту черту, ту грань, которая отличает материализм механистический от материализма диалектического. Это и является основным тормозом методологического обоснования антропного принципа, которое не оставило бы никаких лазеек для мистического или теологического бума вокруг поднятой проблемы.

2. Совпадения больших чисел. Слабый антропный принцип

Следует отметить, что проблемы, которые затрагиваются антропным принципом, были поставлены еще на заре человеческой культуры. Истоки этой проблематики можно увидеть практически во всех философских и религиозных традициях, для которых всегда был существенным вопрос о месте и роли человека, как микрокосма, во Вселенной, как макрокосма.

Известный исторический факт неприятия христианской церковью гелиоцентрической модели мира, предложенной Коперником, как раз связан с антропологической идеей об особенном привилегированном положении человека во Вселенной, и как следствие этого обязательность идеологической доктрины о том, что именно Земля – центр Вселенной. В средние века онтологический статус природы в связи с христианским догматом о сотворении мира из “ничего” изменяется, и возникает новое понимание статуса человека в общей картине мира. Человек уже не просто элемент космоса, как это было в греческой научной традиции; в христианском понимании – он господин природы. Это привело к тому, что с конца XIII в. общепринятой становится геоцентрическая система Птолемея, созданная еще во II в. н.э., которая сменяет господствующую на протяжении веков концепцию мироустройства Аристотеля. Корни вышеуказанной интриги в том, что коперникианская революция лишает планету, населенную мыслящими существами, привилегированности, поставив ее в один ряд с подобными небесными телами.

Развитие научного знания в своей динамике происходит в рамках определенных ограничений. Это и требование объективности научных фактов, и преодоление мифологических, религиозных и прочих, как сказали бы позитивисты, метафизических тенденций в построении теорий, и т.д. И вот с конца 60-х гг. нашего столетия происходит “переоткрытие” антропного принципа, который самими же физиками называется “нефизическим принципом” [3] (ситуация для физиков, по меньшей мере, неординарная!), и который, тем не менее, рассматривается как системообразующая идея, призванная связать особенности физического мира с существованием человека в качестве познающего этот мир субъекта. В общем и целом это радикальный отход от традиционной классической схемы научного мышления в астрофизике с ее идеалом объектного рассмотрения Вселенной (в качестве конкретного объекта независимо от субъекта познания) и шаг в направлении создания квантовой астрофизики и квантовой космологии.

Переоткрытие антропного принципа можно датировать выступлением известного астрофизика Брандона Картера на Международном симпозиуме, посвященном 500-летию со дня рождения Николая Коперника, который проходил в 1973 г. на родине великого ученого – в г. Кракове. Свой доклад “Совпадения больших чисел и антропологический принцип в космологии” Картер начал словами: “Коперник преподал нам очень поучительный урок, согласно которому мы не должны, не имея на то оснований, предполагать, что занимаем привилегированное центральное положение во Вселенной. К сожалению, это привело к сильной (и не всегда подсознательной) тенденции расширить этот принцип до весьма сомнительной догмы, суть которой заключается в том, что наше положение не может быть привилегированным ни в каком смысле” [4]. Действительно, отрицанием выделенного положения Земли в космической динамике Коперник положил начало традиции, которая оказывала влияние на научную мысль в течение четырех столетий. Земля, бесспорно, может быть рассмотрена как самый обычный астрономический объект из огромного числа подобных планет, обращающихся вокруг звезд типа Солнца в других галактиках. Если бы не особое обстоятельство: Земля – не просто планета, а это обитель для человека и других биологических видов, по крайней мере нетипичных для множества астрономических тел. К слову сказать, большинство из них представляют собой либо разреженные газовые облака, либо горячие плазменные шары. Для существования всего биологического многообразия, не говоря уже о существовании человека и связанного с ним мыслящего духа, требуются определенные благоприятные условия, особые факторы, что в известном смысле свидетельствует о нетипичности нашего положения во Вселенной.

Собственно, современное авторство антропного принципа принадлежит не Картеру, а Роберту Дикке [5], первому указавшему на то, что коперникианская догма несостоятельна, если принять во внимание, что необходимой предпосылкой нашего существования служат специальные благоприятные условия (температура, химический состав окружающей среды и т.д.), а также то, что Вселенная эволюционирует (в астрофизике существует понятие возраста Вселенной) и не является при этом локально пространственно однородной. Иными словами, Дикке предлагает нашему вниманию следующее утверждение: “Вселенная так велика по той причине, что мы в ней живем” [цит. по 3, с. 368] и приводит аргументы, которые и составляют суть слабого антропного принципа.

Картер же концентрирует внимание, выдвигая аналогичный тезис, на совершенно удивительном факте исключительной согласованности физических постоянных, небольшие отклонения в значениях которых исключили бы жизнь нашего типа. Различные физические системы, в диапазоне от атомных ядер до галактик, чрезвычайно чувствительны к точным значениям фундаментальных постоянных. Было замечено, что важные для нашего существования структурные единицы материи, например, такие звезды, как Солнце, своими свойствами обязаны совпадениям чисел, которые построены из фундаментальных постоянных, относящихся вообще к разным разделам физики. Начальные параметры расширяющейся Вселенной, которые предопределили конкретные свойства нашей Вселенной, также согласованы с поразительной точностью. Иными словами, Вселенная каким-то непостижимым образом приведена в точное равновесие. Если бы природа избрала немного другую последовательность чисел, то мир был бы совершенно иной, и возможно, некому было бы и спрашивать, почему мир такой, а не иной. Эти совпадения больших чисел и послужили основанием для введения Картером антропного принципа, несмотря на его, с точки зрения многих физиков, “нефизичность” (что почти сродни “ненаучности”), в структуру астрономии.

О каком совпадении больших чисел, собственно, идет речь?

Уже в 1930 г. Эддингтон и Дирак были поражены любопытным и неожиданным совпадением некоторых очень больших чисел, рассчитанных из атомной физики и космологии – областей физики, которые в ту пору были явно несвязанными. (Это сейчас можно говорить о полном смыкании космологии и физики элементарных частиц). Это привело к возникновению ряда “экзотических теорий с изменяющимися фундаментальными постоянными”. В 1959 г. вышла книга Бонди [6], где перечислялись некоторые “совпадения больших чисел”: “первое совпадение больших чисел”, “второе совпадение больших чисел” и т.д., которые рассматривались как свидетельства обоснованности введения предлагаемых экзотических теорий. В прекрасной популярной книге Дэвиса “Случайная Вселенная” [3] можно получить довольно обстоятельный анализ всех этих широко известных совпадений, рассмотренных на основании современного развития физических теорий и через призму антропного принципа. Эти результаты приводятся в данной статье.

Как известно, в настоящую эпоху эволюции Вселенной проявляются различия между четырьмя типами физических взаимодействий: электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым. Все названные типы имеют калибровочную природу. Особенность калибровочного взаимодействия состоит в том, что “сила” его определяется величиной заряда, соответствующего данному типу калибровочной симметрии. Заряд калибровочного взаимодействия одновременно определяет и величину заряда элементарной частицы, и величину самого взаимодействия, т.е. константу связи. Так, в электродинамике константа связи, называемая постоянной тонкой структуры, определяется как

.

Эта величина входит в описание всех процессов, включающих взаимодействие вещества и излучения. Например, она определяет скорость, с которой возбужденный атом переходит в основное невозбужденное состояние, излучив фотон, или скорость, с которой он будет поглощать энергию, находясь в потоке фотонов. Она также определяет степень расщепления в мультиплете атомных энергетических уровней в результате взаимодействия между внутренним магнитным моментом электрона и его орбитальным магнитным полем. Эта так называемая тонкая структура наблюдается в спектральных линиях возбужденных атомов. По данной причине величина a называется постоянной тонкой структуры, хотя содержание ее имеет гораздо более общий характер.

По аналогии с постоянной тонкой структуры вводят постоянную гравитационной “тонкой структуры”

.

Эффективность слабого взаимодействия характеризуют универсальной постоянной связи (константой Ферми) gw, определяющей скорость, с которой протекают такие процессы, как распад нейтрона. Объединяя gw с другими постоянными, получаем безразмерную константу слабого взаимодействи

.

Она является бегущей константой, поскольку ее значение зависит от массы частиц. При m= массе протона mp числовое значение aw»10–5.

В качестве константы сильного взаимодействия, так сказать упрощенного варианта, вводят величину gs, аналогичную в условном смысле электрическому заряду. Объединяя gs с другими постоянными, получаем безразмерную константу сильного взаимодействи

Что касается перечисленных выше констант, то они не являются константами как таковыми, и сейчас уже совершенно понятно, что они изменялись в ходе эволюции Вселенной. Если изменения трех констант за время расширения Вселенной изобразить на одном графике, то можно ожидать значения энергии, при котором все три константы будут иметь одно и то же значение. Данная энергия соответствует температуре во Вселенной 1015 ГэВ и масштабу расстояния 10–29 см. Это значение энергии Великого объединения, такого состояния Вселенной, в котором различие сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий еще не было проявлено. К слову сказать, современная физика уверенно движется в направлении осуществления программы построения единой теории всех известных физических взаимодействий, включая и гравитационное (теория Суперобъединения). Тонкий подбор значений констант различных типов взаимодействий, как оказалось, имеет судьбоносное значение для нашей Вселенной.

Проблема совпадения больших чисел состоит в том факте, что отношение константы электромагнитного взаимодействия к константе гравитационного взаимодействия дает примерно число 1040, которое совпадает с некоторыми другими важными характеристиками, которые приводятся ниже:

1.

2. Число протонов, находящихся в области максимального современного размера Вселенной, доступной наблюдениям (т.е. расстояние ctH, на которое распространился свет за время Хаббла – область радиуса Хаббла), составляет

3. Число частиц, содержащихся в типичной звезде, дается формулой

4. Отношение времени возраста Вселенной к характерному ядерному времени:

Время возраста Вселенной – время Хаббла лет. Постоянная Хаббла H характеризует скорость удаления друг от друга двух типичных галактик, находящихся на определенном расстоянии. Две галактики, расстояние между которыми, скажем, 10 Мпс (около 30 млн световых лет), удаляются друг от друга со скоростью около 500 км/c. Постоянную Хаббла вводят как один характерный параметр, благодаря тому что крупномасштабное распределение вещества во Вселенной весьма однородно.

Характерное ядерное время tN – время, за которое свет пересекает протон. Будем считать размер протона равным 10–15м (комптоновская длина волны для протона), тогда

5. Отношение характерного ядерного времени к времени Планка

Объединение фундаментальных постоянных ћ, c, G позволяет получить фундаментальную единицу длины lp и времени tp, называемые длиной Планка и временем Планка. Ожидается, что при этой длине и при этом характерном времени проявляются эффекты квантовой гравитации.

Повторение “мистического” числа 1040 привлекло внимание такого крупного физика, как Дирак. В 1937 г. он высказал идею о том, что совпадение двух таких невероятно огромных чисел, как возраст Вселенной (в ядерных единицах) и число частиц в доступной наблюдениям области, а также значение , не может быть случайным. Однако возраст Вселенной не является фундаментальной постоянной, а меняется со временем. Величина tH – это эпоха, в которую нам выпало жить. Поэтому Дирак предположил, что гравитационная постоянная G также не должна быть постоянной величиной, а должна меняться обратно пропорционально времени, т.е. уменьшаться так, чтобы соотношение было справедливым во все эпохи. Тем самым он поставил вопрос о постоянстве константы G. Им и Йорданом были предприняты попытки создания теории с изменяющейся гравитационной постоянной. Однако убедительных данных наблюдений, подтверждающих изменения G, нет. Картер в своем докладе отмечает: “Теперь я убежден в обратном: эти совпадения не только далеки от того, чтобы служить свидетельством в пользу таких экзотических теорий, скорее следует считать, что они подтверждают “обычную” (расширяющаяся Вселенная в общей теории относительности) физику и космологию, которые могли бы, в принципе, до наблюдений предсказать все эти совпадения. Однако для таких предсказаний обязательно требуется некий принцип, который можно назвать антропологическим принципом и согласно которому то, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей. (Хотя наше положение не обязательно является центральным, оно неизбежно в некотором смысле привилегированное)” [4, с. 370]. Так что позиция Картера, а первоначально Дикке и есть альтернативное Дираку объяснение совпадения больших чисел.

Обратимся к вопросу, как же влияют перечисленные совпадения на структуру Вселенной и на нашу с вами жизнь, в конечном счете.

Исключительно важное значение имеет тот факт, что константа гравитационного взаимодействия очень мала. Как видим, сила гравитации примерно в 1040 раз слабее электромагнитных сил (например, в атоме водорода). Это соотношение определяет время жизни звезды. Можно было бы достаточно просто показать, что время жизни типичной звезды

То есть время жизни типичной звезды сравнимо с возрастом Вселенной. Это так называемое “второе совпадение больших чисел” выглядит загадочно: почему время жизни Вселенной к тому моменту, когда в ней появился человек, относится к характерному ядерному времени так же, как относится электрическая сила к гравитационной? Случайно ли это совпадение? И какое вообще значение для нашей жизни имеет время жизни звезды?

В астрофизике известно, что за исключением новых или переменных звезд звезды на протяжении столетий меняются незначительно. В частности, Солнце мало изменило свою светимость в течение более 4 млрд лет. Стабильность условий на Земле и в ее окрестностях в течение более 3 млрд лет является следствием не слишком быстрого сжигания Солнцем запасов водородного топлива. Примерно через 5 млрд лет, когда эти запасы исчерпаются и ядерные реакции больше не смогут поддерживать его, Солнце вступит в период неустойчивой быстрой эволюции и в конце концов превратится в белый карлик, а человечеству, населяющему Землю, нужно будет переселиться поближе к более молодой звезде. Темп, с которой расходуется ядерное топливо в недрах звезды, зависит от ее светимости, которая в свою очередь зависит от гравитации (через G) и от электромагнитных сил (через непрозрачность звездного вещества и, следовательно, через заряд электрона e). Если бы гравитация была сильнее, то звезды сгорали бы быстрее. Увеличение G в 10 раз полностью изменило бы строение Солнечной системы за время ее существования. Например, нашей Земли уже не было бы, она испарилась бы, когда Солнце в ходе эволюции достигло стадии красного гиганта, почти израсходовав запасы ядер водорода [3, с. 72-73].

Здесь следует сказать, что внутреннее строение звезды довольно сильно зависит от переноса тепла из ее недр посредством излучения. В массивных звездах, где преобладает именно энергия излучения, тепловая энергия покидает такие звезды в виде потока лучистой энергии. Эти звезды называются голубыми гигантами. В звездах меньшей массы подобный механизм не осуществим, поскольку излучение не может переносить энергию достаточно быстро для поддержания поверхности звезды достаточно горячей. Здесь, как правило, возникают неустойчивости, приводящие к возникновению конвекции. Звезды, в которых конвекция обеспечивает основной перенос энергии, меньше и холоднее, чем голубые гиганты. Они называются красными карликами. Солнце и многие другие стабильные звезды лежат в довольно узкой области, границы которой определяются двумя крайними случаями – голубыми гигантами и красными карликами. Масса типичной звезды попадает в узкий интервал между массами голубых гигантов и красных карликов, что является результатом случайного соотношения между соответствующими постоянными гравитации и электромагнетизма. Если бы гравитация была чуть слабее или электромагнетизм чуть сильнее, то все звезды были бы красными карликами. Напротив, обратные отклонения этих значений привели бы к тому, что все звезды стали бы голубыми гигантами.

Соответствующее значение массы звезды дает значение числа нуклонов, образующих звезду , – совпадение . Хотя Йордан в 1947 г. считал, что это совпадение требует революционного объяснения, Картер показал, что оно является предсказанием традиционного типа, которое может быть сделано без использования антропного принципа. Основная идея здесь состоит в том, что протозвезды будут неустойчивы относительно фрагментации или непрерывной потери массы до тех пор, пока они не разделятся на достаточно малые фрагменты, которые удерживаются от сжатия давлением газа ядра звезды. Такая ситуация возникает впервые, когда удовлетворяется вышенаписанное условие. После этого звезда будет устойчивой, так что никакого дальнейшего разделения не будет [4, с. 370-371]. Это, так сказать, “первое совпадение больших чисел”.

“Второе совпадение больших чисел” отражает тот факт, что время жизни типичной звезды главной последовательности, т.е. времени, в течение которого горит водород, совпадает с сегодняшним возрастом Вселенной, что обсуждалось выше. Именно это совпадение послужило основанием для введения слабого антропного принципа. Дикке пришел к выводу о неслучайности того, что эпоха, в которой появляется наблюдатель, связана с характерным временем протекания определенных физических процессов во Вселенной. Согласно Дикке, жизнь во Вселенной может возникнуть лишь тогда, когда хотя бы первое поколение звезд не завершит свой жизненный цикл и не рассеет по галактике осколки сверхновых, содержащих углерод. В основе жизни живой материи на Земле лежит углерод, хотя необходимы, безусловно, и другие элементы – азот и кислород и т.д. Но вся проблема состоит в том, что этих элементов не было в первичной Вселенной. Достаточное количество их может образовываться только в недрах звезд вследствие нуклеосинтеза. Можно подумать, что эти элементы возникли на ранних этапах эволюции Вселенной, в начале ее расширения, когда имели место температуры, достаточно высокие для синтеза тяжелых элементов. Однако эпоха столь горячей Вселенной была кратковременной; много важнейших процессов состоялось в тот период, но для образования углерода и других элементов этих нескольких первых горячих минут было явно недостаточно. В изобилии образовывался лишь гелий. Следовательно, нуклеосинтез обеспечивается другими условиями, а именно процессами, протекающими в недрах звезд, в которых достигаются и поддерживаются в течение миллиардов лет температуры до 107 К, достаточные для превращения большей части звездного вещества в тяжелые элементы.

Каким образом, однако, эти элементы впоследствии становятся химическими строительными блоками жизни? Физика этого процесса, а именно последующего рассеяния образовавшихся элементов по галактике, сейчас хорошо понятна благодаря представлениям о взрывах сверхновых. Запасы топлива в любой звезде ограничены. Исчерпание их приводит к тому, что уменьшается энергия, необходимая для поддержания внутреннего давления, компенсирующего гравитационное сжатие массивной звезды. Ядро звезды становится неустойчивым и начинает сжиматься под действием самогравитации. При определенных обстоятельствах сжатие сменяется катастрофическим гравитационным коллапсом, и за доли секунды вещество в ядре звезды достигает ядерной плотности. Следует сказать, что самыми многочисленными частицами во Вселенной являются нейтрино. Теория предсказывает, что после начала расширения Вселенной на каждый протон и электрон образовалось около 109 нейтрино. Обычные звезды и планеты прозрачны для нейтрино, которые спокойно пронизывают в своем движении, например, нашу планету. Но сколлапсировавшее ядро звезды оказывается настолько плотным, что тормозит нейтрино. Давление, вызываемое потоком нейтрино, приводит к взрыву ядра звезды, в результате чего внешние слои, содержащие тяжелые элементы, сбрасываются наружу и разносятся по галактике. Вещество, из которого первоначально образовались галактики, состояло из водорода и гелия. Сырьем для новых поколений звезд и планет, в том числе нашего Солнца и нашей Земли, служат осколки сверхновых. Без сверхновых планеты земного типа не могли бы существовать.

Характерно, что возраст Вселенной, связанный с наступлением эпохи, в которой царствует человек с его мыслительной творческой способностью, с активной, преобразующей действительность деятельностью, совпадает с временем жизни типичной звезды. Дикке ставит ударение на этом обстоятельстве: “Жизнь во Вселенной не может возникнуть до тех пор, пока по крайней мере одно поколение звезд не завершит свой жизненный цикл и не рассеет по галактике осколки сверхновых. С другой стороны, расход водородного топлива звездами невосполним, так что этот цикл не может повторяться до бесконечности – нельзя ждать смены нескольких поколений звезд. Такие представления приводят к предположению, что жизнь во Вселенной может существовать только в эпоху от t* до, скажем, 10t*” [цит. по 3, с. 136-137]. Конечно, аргументация Дикке основывается на представлениях об известной нам форме жизни. Может, надо предположить возможность жизни, основанную не на углероде. Но дело не в этом, а в убеждении, что жизнь любого типа не может развиться до уровня разумной, пока не завершатся определенные физические процессы. Согласно Дикке, наше существование как наблюдателей, состоящих из соединений углерода, объясняет равенства двух различных отношений 1040. Картер в своей статье, обсуждая аргументацию Дикке, называет ее слабым антропным принципом, который он формулирует таким образом: “То, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя” [4, с. 372].

3. “Подгонка” физических постоянных. Сильный антропный принцип

О строгой “подгонке” констант связи гравитационного и электромагнитного взаимодействия, обусловивших возникновение жизни, сказано в предыдущем параграфе. Под этим углом зрения проведем анализ значений констант слабого и сильного взаимодействия. Оказывается, что диапазон их приемлемых для существования жизни значений также весьма ограничен.

Если бы постоянная слабого взаимодействия была бы значительно слабее, то нейтрино не способно было бы оказать достаточное влияние на внешнюю оболочку звезды и вызвать взрыв сверхновой. Напротив, если бы слабое взаимодействие было бы значительно сильнее, то нейтрино было бы захвачено внутрь ядра звезды и тоже оказалось бы бессильным.

В космологии большую роль играет слабое взаимодействие нейтрино с веществом, благодаря которому протоны и нейтроны могут превращаться друг в друга. Для структуры Вселенной важное значение имеет соотношение между числом нейтронов и протонов. Тот факт, что разность масс нейтрона и протона лишь немного больше массы электрона (Dm»me) и что постоянная слабого взаимодействия связана с постоянной гравитации соотношением , приводит к равенству: kTF»Dmc2, где ТF – температура, при которой нарушается термодинамическое равновесие. Выполнение этого равенства определяет отношение числа протонов во Вселенной к числу нейтронов. Получается, что число нейтронов составляет значительную, но не подавляющую часть общего числа барионов во Вселенной. Детальные расчеты дают значение около 10 %. Благодаря этому во Вселенной имеется значительное содержание водорода. Роль водорода в химии Вселенной чрезвычайно велика: он обеспечивает подходящую продолжительность жизненного цикла типичных звезд; без водорода не было бы ни органических веществ, ни воды. Дэвис анализируют возможные варианты приведенного соотношения. Если бы kTF»10Dmc2, то отношение числа нейтронов к числу протонов было бы равно 0,9. И избыточные нейтроны пошли бы на образование гелия. Мы имели бы другую Вселенную.

Если бы Dm была в три раза меньше, то свободные нейтроны не распадались бы на протоны. Если бы масса нейтрона составляла 0,998 ее значения, т.е. если бы U-кварк был слегка массивнее d-кварка, то свободные протоны легко распадались бы на нейтроны с излучением позитрона. В этом случае, возможно, вообще бы не было атомов [3, с. 82-83]. Согласно счастливому для нас “жребию” свободный протон имеет время жизни порядка 1033 лет.

Если бы kTF<

Если бы сильное взаимодействие было бы несколько слабее, то было бы меньше стабильных элементов. У всех известных ядер тяжелее урана период полураспада значительно меньше, чем возраст Земли. Если бы gs было в 2 раза меньше наблюдаемой, то ядра углерода и железа, например, быстро бы распались. Если бы gs была бы всего на 2 % больше, то возникал бы дипротон, некоторая экзотическая частица. Известно, что дейтерий в Солнце образовывается слиянием двух протонов с последующим образованием дейтерия, позитрона и нейтрино процессом слабого взаимодействия, с обратным бета-распадом, а именно превращением протона в нейтрон. Если бы дейтерий образовывался через дипротон, то реакция определялась бы сильным взаимодействием и была бы в 1018 раз эффективнее. Это привело бы к катастрофически быстрому расходу водорода и столь же быстрому освобождению энергии. Вряд ли водород при этом пережил бы горячую стадию эволюции Вселенной (подробнее см. [3]). Иными словами, Вселенная взрывным образом неустойчива к изменениям численных значений констант.

В своей книге Дэвис приводит еще одну любопытную случайность, на которую обратил внимание Хойл. Ядра углерода синтезируются в звездах в результате почти одновременного столкновения трех ядер гелия. При слиянии двух ядер гелия образуется нестабильное ядро бериллия. Вероятность слияния бериллия с третьим ядром гелия и образование ядра углерода прежде, чем бериллий распадется, обусловлено существованием ядерного резонанса. Когда частота квантовой волны, связанной с налетающим ядром гелия, совпадает с собственной частотой колебаний бериллия, ядерное поперечное сечение для захвата третьего ядра гелия очень резко возрастает. По счастливой случайности тепловая энергия ядер в типичной звезде лежит почти точно в области резонанса углерода. И это обеспечивает эффективный синтез углерода в недрах звезд. Но тут еще одно обстоятельство, свидетельствующее о нашей удачливости. Углерод еще должен уцелеть в недрах звезды, ибо дальнейшее столкновение его с ядром гелия может привести к образованию кислорода. Однако резонансная энергия кислорода гораздо ниже тепловой энергии, поэтому углерод полностью не может сгореть с образованием кислорода. Доводы Хойла свидетельствуют уже в пользу сильного антропного принципа. Как пишет сам Хойл, “если бы вы хотели образовать углерод и кислород примерно в равных количествах в ходе звездного нуклеосинтеза, то должны были бы задать два уровня резонансов, причем именно там, где эти уровни найдены…” [цит. по 3, с. 141]. Приведенные выше факты родили версию сильного антропного принципа, которую Картер сформулировал следующим образом: “Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции допускалось существование наблюдателя” [4, с. 373] . По сути, сильный антропный принцип утверждает, что Вселенная заведомо приспособлена для существования жизни и что как законы физики, так и начальные условия подстраиваются таким образом, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни.

4. Антропный принцип и космологические проблемы. Инфляционный сценарий расширения Вселенной

Как уже отмечалось выше, такие параметры, как размер, масса, время жизни различных структурных единиц Вселенной – от ядер атомов до звезд, – определяются значениями фундаментальных постоянных. Однако размеры и массы галактик или их скоплений объяснить на основе только физических постоянных невозможно. Здесь важную роль начинают играть начальные условия расширения Вселенной. Обсуждение начальных условий расширения Вселенной, их исключительная согласованность составляет ряд космологических проблем, решение которых чрезвычайно актуально для физической теории.

В настоящее время произошло полное слияние таких областей знания, как физика элементарных частиц и космология. Значительная часть вновь предлагаемых теорий элементарных частиц прежде всего проходит проверку на космологическую полноценность, что приводит к возникновению важных ограничений на развиваемые теории элементарных частиц, в то же время космологические проблемы решаются в русле создания единой теории всех физических взаимодействий. Решение некоторых космологических проблем до недавнего времени представлялось очень сложным, и не ясно было, в каком направлении следует вести поиск. Тем более удивительным оказалось то обстоятельство, что большую часть указанных проблем, а также другие проблемы, давно стоявшие перед теорией горячей Вселенной, удалось решить в рамках одного сценария развития Вселенной, так называемого сценария раздувающейся (инфляционной) Вселенной. Согласно нему, Вселенная на самих ранних этапах своей эволюции находилась в неустойчивом вакуумноподобном состоянии, для которого характерно было состояние гравитационного отталкивания, что и предопределило последующее расширение Вселенной. На ранних стадиях Вселенная расширялась экспоненциально быстро (эта стадия потому и называется инфляционной). Затем происходил распад вакуумноподобного состояния, Вселенная разогревалась, и дальнейшая ее эволюция описывается стандартной теорией горячей Вселенной. За несколько лет своего существования сценарий раздувающейся Вселенной прошел путь от довольно фантастичной гипотезы до теории, которой в настоящее время придерживается большинство физиков.

В развитии космологии ХХ в. можно выделить три важнейших этапа. Первый этап начался в 20-х гг., когда А.А. Фридман на основе общей теории относительности Эйнштейна создал теорию однородной и изотропной расширяющейся Вселенной. До середины 60-х гг. было неясно, какой была Вселенная на ранних стадиях своей эволюции – горячей или холодной. Решающим моментом (второй этап) было открытие Пензиасом и Вильсоном реликтового излучения (1964 г.). Существование такого излучения было предсказано еще в 1948 г. Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели горячей расширяющейся Вселенной. После открытия реликтового излучения теория горячей Вселенной стала общепризнанной. Как отметил И.Д. Новиков, “…то, что вещество Вселенной было в прошлом сверхплотным и горячим, установлено надежно и пересмотру не подлежит, как и теория расширяющейся Вселенной” [7]. Тем не менее теория содержала в себе космологические проблемы, пути решения которых наметились сравнительно недавно в рамках инфляционного сценария расширяющейся Вселенной. Тем самым инфляционная модель знаменуют собой третий этап в развитии космологии. Упоминаемые выше космологические проблемы имеют непосредственное отношение к обсуждаемой в настоящей статье теме. Приведем некоторые из них.

Проблема сингулярности

Из модели Фридмана вытекает существование в прошлом Вселенной особенной точки – сингулярности, согласно чему в момент времени t = 0 вся материи должна сосредотачиваться в очень малых масштабах с бесконечной плотностью. В 1970 г. Хокингом и Пенроузом [8] были доказаны теоремы, показывающие, что в рамках классической общей теории относительности существование сингулярного начала Вселенной неизбежно. Мучительным становится вопрос, а что было до момента t = 0?

Проблема плоскостности

Следствием астрономических наблюдений является вывод о том, что галактики удаляются с относительными скоростями, прямо пропорциональными расстоянию, разделяющему галактики. Закон расширения Хаббла позволяет оценить критическую плотность Вселенной. Обсуждаемая проблема плоскостности состоит в том, что в планковский момент времени Вселенная имела плотность с фантастической точностью, равной критической (т.е. скорость отрыва галактики от некоторого центра в точности равна скорости галактики, задаваемой законом Хаббла). Если бы плотность была бы чуть больше критической (на 10–55rкр.), то к настоящему времени Вселенная давно сколлапсировала (это модель замкнутой Вселенной). Если бы плотность Вселенной в планковский момент времени была меньше rкр. (на 10–55rкр.), то современная плотность вещества во Вселенной была бы исчезающе малой и зарождение жизни во Вселенной было бы невозможным. Следовательно, космологические теории должны объяснить, почему начальные условия оказались такими, что Вселенная смогла дожить до настоящего времени.

Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной

Существуют надежные свидетельства (по регистрации фонового реликтового излучения) о том, что Вселенная в крупных масштабах, превосходящих размеры галактик, а именно порядка 1023 м, чрезвычайно однородна и изотропна.

Проблема мелкомасштабной неоднородности Вселенной

Уже в начале эволюции должны существовать значительные “затравочные” неоднородности плотности, чтобы впоследствии возникли галактики. При этом важно своевременное появление требуемых возмущений в надлежащем масштабе и с надлежащей плотностью, достаточной для образования галактик, но при этом не настолько большой, чтобы вызвать катастрофический гравитационный коллапс с образованием черных дыр. Причина возникновения таких неоднородностей до последнего времени не была объяснена.

Проблема горизонта

В простейшем случае размер горизонта Вселенной принимается равным ct, где c – скорость света, t – время существования Вселенной. Изучение реликтового излучения показывает, что Вселенная с большой точностью однородна и изотропна в масштабах, превышающих ct. Объяснение этого факта, учитывая, что причиннонесвязанные области, превышающие размер горизонта, никак не могут воздействовать друг на друга, называют проблемой горизонта.

Проблема барионной асимметрии

Суть проблемы составляет вопрос, почему Вселенная состоит из вещества (барионов) и почти нет антивещества (антибарионов), хотя маловероятно, чтобы вещество и антивещество в ранней Вселенной могли бы быть изолированы друг от друга. Скорее, происходил процесс их взаимной аннигиляции. Значит, либо во Вселенной имелся изначально дисбаланс между веществом и антивеществом в сторону преобладания вещества, либо Вселенная эволюционировала из полностью симметричного по отношению к веществу и антивеществу состояния, но на некотором этапе процессы в ней шли с несохранением барионного числа, что и привело к выживанию барионов после аннигиляции. В процессе аннигиляции вещества и антивещества должны выделяться g-кванты (фотоны), наблюдаемые в настоящее время как реликтовое излучение. Другой стороной проблемы должно быть также объяснение отношения числа барионов к числу фотонов во Вселенной – N барионов / N фотонов, равному примерно 10–9, которое интерпретируется в рамках гипотезы нарушения барионного числа как разность избытка вещества над антивеществом в ранней Вселенной. В 1967 г. А.Д. Сахаров связывает идею несохранения барионного числа с теорией горячей Вселенной. В современных теориях Великого объединения и в рамках инфляционной космологии идея Сахарова полностью сохраняет свое значение.

Проблема космологической постоянной (L-член)

Космологическая постоянная была введена Эйнштейном в уравнения общей теории относительности с целью получения статического решения для Вселенной. Космологическая постоянная должна была выражать собой некоторую космическую силу, противостоящую гравитационному притяжению, что и позволяло получить статическое решение для Вселенной с нулевым давлением. Таким образом, отрицательный вклад в полное давление должна вносить именно эта космическая сила.

В 1917 г. голландским ученым де Ситтером было предложено другое решение уравнений общей теории относительности. Плотность вещества в этой модели оказывалась равной нулю. Одним из вариантов модели де Ситтера является плоская Вселенная, масштаб пространства которой растет по экспоненциальному закону. Таким образом, была предложена модель расширяющейся Вселенной. Первоначально модель де Ситтера не получила должной оценки по той причине, что в ней не содержалось вещество. Впоследствии именно идея о том, что если из Вселенной удалить вещество, останется только отталкивание, оказалась руководящим принципом современных космологических теорий. После получения уравнений Фридмана Эйнштейн сам убрал космологическую постоянную из общей теории относительности. Модель Фридмана не требует введения космологического члена, ибо если Вселенная нестационарна, то нет необходимости в сбалансировании гравитационного притяжения. Рассматриваемая проблема состоит в том, что запросто отбросить космологический член из теории невозможно: “любой вклад в энергию вакуума действует в точности как космологическая постоянная” [9], поскольку оказывается пропорциональным плотности энергии вакуума.

Характерно, что для вакуума, в отличие, к примеру, от вещества, нарушено одно условие, так называемый принцип энергодоминантности, согласно чему давление вакуума имеет знак, противоположный знаку плотности энергии. Согласно принципу энергодоминантности, плотность энергии должна быть строго больше (доминировать), чем давление: e>p. При этом предполагается, что и e>0 и p>0. Теоремы, доказанные Хокингом и Пенроузом о неизбежности сингулярности в общей теории относительности, содержат в себе принцип энергодоминантности. Для обычного вещества условие энергодоминантности является естественным. Я.Б. Зельдовичем и Л.П. Питаевским было показано, что для вакуума плотность энергии не обязательно больше, чем давление [10]. То есть возможны процессы и этапы в эволюции Вселенной, когда принцип энергодоминантности для вакуума был нарушен, что и приводило к космическому отталкиванию.

В современной физике представление о вакууме как о состоянии с наинизшей энергией квантованного поля, о состоянии, в котором энергия в среднем всегда равна нулю, претерпели поистине революционные изменения. Стало понятно, что возможны области перестроенного пространства с ненулевой энергией вакуума, так сказать состояния с поляризованным вакуумом – вакуумные конденсаты. Существование ненулевых вакуумных колебаний, вакуумных конденсатов имеет экспериментальное обоснование. Вклад в энергию вакуума должны давать вакуумные колебания всех взаимодействий. Вклады этих эффектов должны приводить к большому значению космологической постоянной. Однако из космологических данных следует, что плотность энергии вакуума в настоящую эпоху не должна по абсолютной величине превышать критическую плотность (Ј 10–29 г/см3 »10–47 ГэВ). Это значение, по всей видимости, достигается после того, как в процессе эволюции Вселенной происходит последовательность фазовых переходов с нарушением симметрии вакуума, приводящих к уменьшению его плотности энергии. Вакуум рассматривается как резервуар энергии, из которого рождаются, приобретают массы и заряды элементарные частицы. Важно выяснить механизм, который приводил бы к такому сокращению. В астрономических наблюдениях также не удается обнаружить cколько-нибудь ощутимое космическое отталкивание. Возникает вопрос, почему, если согласно всем предсказаниям физики элементарных частиц плотность энергии вакуума должна быть примерно на 120 порядков больше, чем 10-47 ГэВ, из наблюдений следует ее столь малое значение.

В современных моделях единой теории предполагается существование следующих релятивистких фазовых переходов: при температуре порядка 1015 ГэВ (примерно через 10–35 с после Большого взрыва) происходит спонтанное нарушение симметрии Великого объединения, энергия вакуума уходит при этом на сообщение масс частицам, называемым X-бозонами, и уменьшается примерно на 1080 г/см3. Следствием этого процесса является нарушение симметрии между сильным и электрослабым взаимодействиями, а дальнейшие несимметричные распады X-бозонов приводят к преобладанию вещества над антивеществом. Во время следующего фазового перехода, характеризующего спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия и разделения его на слабое и электромагнитное, приобретают массу кванты слабого взаимодействия W++, W–, Z0-бозоны за счет понижения энергия вакуума на 1025 г/см3. Следующий фазовый переход при температуре 1 ГэВ сопровождается фрагментацией кварков и глюонов в адроны – протоны, нейтроны и другие частицы. При этом вакуум теряет еще примерно 1014 г/см3. И, как отмечает А.Д. Линде, “удивительным образом после всех этих скачков становится равным нулю с точностью до 10–28 г/см3. Кажется невероятным, чтобы полное или почти полное обращение энергии вакуума в ноль было случайным и не имело каких-либо физических причин. Проблема энергии вакуума в теориях со спонтанным нарушением симметрии считается сейчас одной из основных проблем, стоящих перед физикой элементарных частиц” [9, с. 191].

Остается лишь отметить, что теории со спонтанным нарушением симметрии вакуума привели к переформулированию проблемы, ибо вопрос ставится теперь не о том, что космологическая постоянная должна быть равна нулю, а о том, почему она стала равна нулю в настоящую эпоху эволюции Вселенной. По словам С. Вайнберга, “мы хотим понять, почему эффективная космологическая постоянная мала сейчас, а не почему она всегда была мала” [11]. Возникает вопрос о том, что вакуум нашей Вселенной и цепочка спонтанных нарушений симметрии его тоже весьма точно подогнаны для происхождения жизни и человека.