SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

3.3. Вселенная как обитаемая система

На первый взгляд кажется, что Вселенная должна быть совершенно безразлична к нашему существованию. Ну какое ей дело до того, что на одной из ее бесчисленных «песчинок» обитает мыслящее существо — человек, пытающийся познать ее законы? Конечно, раз уж он существует, то условия во Вселенной должны допускать его существование Но для человека, как мы уже подчеркивали в предыдущем параграфе, важны не просто допустимые условия, а условия, необходимые для его возникновения и его жизни. Связаны ли эти условия с существенными чертами Вселенной (как это имеет место для обитаемой планеты) или они определяются какими-то второстепенными параметрами, совершенно несущественными для Вселенной в целом? Кажется, что скорее должно иметь место последнее.

Действительность, однако, оказалась иной. В 1958 г. советский астрофизик Г. М. Идлис, анализируя условия во Вселенной, поставил следующий вопрос: «почему наблюдаемая нами часть Вселенной представляет собой расширяющуюся систему галактик, состоящих из звезд с обращающимися вокруг них планетами, на одной из которых обитаем мы? Нельзя ли решить этот вопрос исходя из самого факта нашего существования?»[170]. На основе проведенного анализа он пришел к выводу, что основные черты наблюдаемой нами астрономической Вселенной являются характерными для обитаемой Космической Системы, поскольку они (довольно неожиданный вывод!), оказывается, необходимы для жизни. Иными словами, Космическая Система может стать обитаемой лишь в том случае, если она включает в себя планеты, обращающиеся вокруг звезд, составляющих звездные системы с параметрами, соответствующими параметрам типичных галактик. Причем эти звездные системы («галактики») должны входить в расширяющуюся систему более высокого ранга («метагалактику»), свойства которой, подобно нашей Метагалактике, описываются релятивистскими космологическими моделями. То есть обитаемая Космическая Система должна обладать структурными и динамическими свойствами, присущими нашей Метагалактике.

Это обстоятельство позволяет понять, почему наш мир таков, как он есть, почему наблюдаемая Вселенная обладает отмеченными выше свойствами. Согласно Г. М. Идлису, это объясняется тем, что мы наблюдаем заведомо не произвольную область (вообще говоря, бесконечной) Вселенной, а ту, в которой существует познающий эту Вселенную человек (наблюдатель) и в которой, следовательно, реализовались условия, необходимые для его жизни. А. Л. Зельманов сформулировал это положение в виде следующего афоризма: «Мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы другого типа протекают без свидетелей»[171]. В этой связи он указывал, например, на красное смещение как один из факторов, благоприятствующих возникновению и развитию жизни; в то время как смена расширения сжатием со временем привела бы к таким условиям, которые сделали бы жизнь невозможной.

Дальнейшее развитие этих идей позволило установить еще более глубокую связь между фундаментальными свойствами Вселенной в целом и наличием в ней жизни (и человека). Необходимость такой связи ясно осознавал еще К. Э. Циолковский. «Тот космос, который мы знаем, — писал он, — не может быть иным», поскольку человеческое существование не случайно, а имманентно космосу[172]. В работах Идлиса и Зельманова эта идея была наполнена конкретным астрономическим содержанием. Речь шла о наблюдаемых астрономических свойствах Вселенной, и обнаруженная связь относилась к наблюдаемой области Вселенной. В дальнейшем эта связь была распространена как на наблюдаемые, так и на теоретические свойства Вселенной в целом, а не только ее наблюдаемой части. И (что особенно важно!), оказалось, — не только астрономические свойства Вселенной, но и фундаментальные физические параметры материального мира тесно связаны с наличием во Вселенной жизни и человека.

Рассмотрим вначале астрономические свойства Вселенной. Одним из важнейших астрономических свойств является средняя плотность вещества во Вселенной. Как мы видели в предыдущей главе, средняя плотность близка к критической, и это находит объяснение в рамках инфляционной модели Вселенной. Любопытно однако то, что в обитаемой вселенной и не могло быть иначе. Действительно, если средняя плотность вещества много меньше критической, то тормозящее действие гравитации мало — Вселенная расширяется очень быстро, и при такой скорости в ней не могут сформироваться гравитационно связанные системы — галактики, звезды, планеты, которые необходимы для возникновения жизни. С другой стороны, если средняя плотность много больше критической, то тормозящее действие гравитации очень велико, расширение быстро сменяется сжатием, и время жизни такой Вселенной (длительность цикла расширения-сжатия) оказывается слишком мало, много меньше, чем требуется для возникновения жизни и тем более эволюции ее до стадии человека. Таким образом, в обитаемой Вселенной средняя плотность вещества должна быть близка к критической. Тогда скорость расширения будет не столь велика, и во Вселенной смогут сформироваться звезды и планеты. В то же время длительность стадии расширения будет достаточна для возникновения и эволюции жизни.

С критической плотностью связана изотропия Вселенной — важнейшее свойство, которое постулировалось в модели Фридмана и которое получило экспериментальное подтверждение в наблюдаемой изотропии реликтового излучения. Возникает, однако, вопрос: как объяснить это свойство Вселенной? Можно ли, не постулируя, вывести это свойство теоретически? С. Хокинг показал, что наблюдаемую изотропию можно объяснить в том случае, если плотность вещества с большой точностью совпадает с критической. Но так как это условие связано с существованием жизни во Вселенной, то и изотропия также оказывается связана с жизнью. То есть обитаемая Вселенная с необходимостью должна быть изотропной.

Перейдем теперь к такой фундаментальной характеристике Вселенной, как размерность физического пространства. Почему физическое пространство трехмерно? Прежде всего человек сам трехмерное существо, поэтому он не может существовать в пространстве одного или двух измерений. Предположим, существуют какие-то одномерные или двумерные миры. Мы могли бы мысленно изучать их свойства, но жить в этих мирах, наблюдать их изнутри мы не можем. Возможно, какие-то экзотические (с нашей точки зрения) одномерные и двумерные существа могут обитать в этих мирах. Но человек обитать в них не может. Наша Вселенная не может быть ни одномерной, пи двумерной. Но остается еще много других возможностей. Ведь пространство могло бы иметь больше трех измерений. Почему же тогда физическое пространство трехмерно, а например, не пятимерно? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как видоизменяются физические законы с изменением размерности пространства.

Анализ движения тел под действием такой силы был выполнен П. Эренфестом в 1917 г. Он показал, что при N ≥ 4 в задаче двух тел не существуют замкнутые устойчивые орбиты[173]. Если мы рассмотрим, например, планету и Солнце в 4-мерном пространстве (а также в пространстве большего числа измерений), то планета в таком пространстве не будет вращаться вокруг Солнца по устойчивой круговой (или эллиптической) орбите: она либо упадет на Солнце, либо уйдет в бесконечность. Значит, в таких мирах не существует аналогов планетных систем и атомов[174]. А следовательно, в них не может существовать жизнь, построенная на молекулярном уровне. Какие-то гипотетические «полевые» формы жизни могли бы существовать в таком мире, но человек «из плоти и крови», человек в его физическом теле, состоящем из сложных органических молекул, не может существовать в пространстве более чем грех измерений. Казалось бы, увеличение размерности пространства должно открыть новые возможности для построения все более сложных структурных образований атомной природы. Но выяснилось, что это не так.

С другой стороны, при N = 1, 2 сила взаимодействия падает с расстоянием слишком медленно. Поэтому какую бы скорость ни придать заряду, он не сможет уйти из поля притяжения центрального тела, он как бы находится в глубокой (бесконечно глубокой) потенциальной яме, и чтобы извлечь его оттуда, надо затратить бесконечно большую энергию. Следовательно, в таком пространстве не существовало бы свободного движения тяготеющих масс, и в его («одномерных» или «двумерных») атомах не могли бы происходить процессы ионизации. В таком мире не существовали бы процессы возникновения и распада, процессы обмена, характерные для жизни. Только в трехмерном мире возможно возникновение сложных молекулярных структур, обладающих способностью к обмену, изменчивости, эволюции.

Понятно теперь, почему мы живем в трехмерном мире: в другом мире мы просто не могли бы существовать. Это относится не только к человеку, но и к любому разумному существу с телом, представляющим собой сложную структуру, построенную из атомов.

Следующий шаг в исследовании отношения «человек-Вселенная» связан с фундаментальными физическими константами.

3.4. Кто задает физические постоянные?

Природа материального мира, его важнейшие свойства в значительной мере определяются фундаментальными физическими постоянными. К ним прежде всего относятся: массы важнейших элементарных частиц протона, нейтрона и электрона: mp , mn , mе , заряд электрона е и фундаментальные физические константы: постоянная тяготения G, постоянная Планка h (или ħ = h/2π), скорость света с, постоянная слабого взаимодействия gw . Значения этих констант зависят от выбранной системы единиц измерения. Наряду с ними используются безразмерные константы четырех физических взаимодействий:

Значения констант получены из эксперимента. Но почему они именно такие?

В романе «Черное облако» известный английский астрофизик Ф. Хойл описал сообщество высокоразвитых Космических Разумов, которые познали все законы природы. Единственная проблема, которую им остается решить — кто задает фундаментальные постоянные? Но как только кто-либо из членов сообщества приближается к разгадке этой тайны — он бесследно исчезает. Современные космологи также отважились взяться за эту проблему. Прежде всего им необходимо было ответить, почему константы имеют те самые значения, которые известны нам из опыта. Подход, который использовался при решении этой проблемы, вполне соответствовал обычной процедуре, принятой в физике: если нас интересуют значения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значения и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой системе. Этот естественный и вполне разумный подход, применительно к фундаментальным константам, привел к совершенно неожиданным результатам.

Ну казалось бы, что может произойти, если мы немного изменим массу электрона? Соответственно изменится размер атомов, а значит, и размер окружающих нас тел. Но если изменения массы электрона невелики, то и размер тел должен измениться незначительно. Вот вроде и все! Или, что будет, если изменить значение постоянной тяготения G? Очевидно, для двух данных тел изменится сила тяготения между ними. От величины тяготения зависит эволюция Вселенной и эволюция отдельных небесных тел. Значит, изменятся и эти тела, изменятся, в частности, их размеры. Но опять-таки, кажется, что если изменения постоянной тяготения будут невелики, то и свойства тел изменятся немного. Никаких глубоких качественных изменений во Вселенной при незначительной вариации констант вроде бы не должно произойти. Оказалось, что подобное заключение совершенно неверно. Незначительные вариации физических констант на самом деле ведут не к малым изменениям свойств небесных тел, а к радикальным качественным изменениям свойств Вселенной в целом. Причем эти изменения таковы, что они исключают возможность существования жизни во Вселенной. Рассмотрим несколько примеров.

Два последних примера иллюстрируют еще одно важное обстоятельство: исключительно «тонкую настройку Вселенной» для жизни. Действительно, для существования водорода необходимо, чтобы выполнялось условие Δm > mе , д ля стабильности дейтерия необходимо условие Δm < εсв + mе . Для того чтобы во Вселенной могла существовать жизнь, надо, чтобы выполнялись оба эти условия одновременно, т. е. Δm должно быть заключено в очень узких пределах:

mе < Δm < εсв + mе

или

0,5 МэВ < Δm < 2,7 МэВ.

Разность масс протона и нейтрона удовлетворяет приведенному условию. Но насколько «узки» эти ворота? Протон и нейтрон — две частицы с очень близкими свойствами, они отличаются лишь зарядом и небольшой разностью масс. Существуют и другие семейства похожих между собой частиц, они получили название изотопических мультиплетов. Так вот, если взять разность масс Ет для частиц, входящих в изотопические мультиплеты, то для всех семейств она существенно больше, чем для протона и нейтрона и, что весьма существенно, больше предельного значения 2,7 МэВ. На это обратил внимание И. Л. Розенталь. Для протона и нейтрона величина Δm минимальна, это своего рода флуктуация в распределении Δm для различных мультиплетов. Любопытно, что в Природе осуществилась эта редкая флуктуация! Но если бы этого не произошло, жизнь во Вселенной была бы невозможна.

Еще более впечатляющий пример связан с массой электрона. Если мы возьмем массы всех элементарных частиц, то окажется, что большинство частиц имеет массу чуть больше массы протона. Имеется некоторое количество частиц с массами в 10 раз больше и в 10 раз меньше массы протона. Электрон — самая легкая из заряженных элементарных частиц, он почти в 2000 раз легче протона. Ближайшая к электрону по массе частица мюон имеет массу в 200 раз больше электрона. Значит, электрон не просто наилегчайшая частиц, он существенно легче всех остальных частиц. Это очень редкая флуктуация! И опять-таки если бы эта флуктуация не реализовалась в Природе, то нарушилось бы необходимое условие жизни: mе < Δm. И. Л. Розенталь приводит и другие примеры[176].

Основной вывод, который следует из этого анализа, состоит в следующем: во Вселенной реализовался очень редкий набор фундаментальных констант, представляющий собой редкую флуктуацию их возможных значений. Причем структура Вселенной оказалась крайне чувствительна к числовым значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Достаточно значению каких-либо из постоянных выйти за эти пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения: в ней становится невозможным существование одного или нескольких основных структурных элементов — атомных ядер, самих атомов, планет, звезд или галактик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Это означает, что в любой обитаемой вселенной (мыслимой или реально существующей) фундаментальные физические константы не могут иметь иные значения, кроме тех, которые известны нам из опыта. Развитие этих идей привело к формулировке космологического антропного принципа.

3.5. Антропный принцип

3.5.1. Становление антропного принципа.

Антропный принцип (АП) устанавливает соотношение между фундаментальными свойствами Вселенной в целом и существованием в ней жизни и человека, или в более общей трактовке — между существованием наблюдателя и наблюдаемыми свойствами Вселенной. Уже на первом этапе формирования АП (Г. М. Идлис, А. Л. Зельманов, 1950-1960-е годы) были сформулированы две главные относящиеся к нему идеи:

1) основные черты наблюдаемой Вселенной являются необходимыми для возникновения и развития жизни и 2) это объясняется тем, что мы наблюдаем не произвольную область Вселенной, а ту, в которой существует познающий эту Вселенную субъект (наблюдатель) и в которой реализовались необходимые для его существования условия. Или: мы являемся свидетелями наблюдаемых свойств Вселенной, потому что при других ее свойствах развитие Вселенной протекало бы без свидетелей (А. Л. Зельманов). В 1973 г. Б. Каргер сформулировал это положение в виде следующего принципа, который он назвал антропологическим:

[170] Идлис Г.М. Основные черты наблюдаемой астрономической Вселенной как характерные свойства обитаемой космической системы // Известия Астрофизического ин-та Каз. ССР, 1958. Т. 7. С. 39-54; см. с. 39.

[171] Зельманов А.Л. Некоторые философские аспекты современной космологии и смежных областей физики / Диалектика и современное естествоиспытание. — М.: Наука, 1970. С. 395-400;см. с. 396.

[172] Казютинский В.В. «Космическая философия» К Э. Циолковского и современная научная картина мира //Труды восемнадцатых-двадцатых чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К. Э. Циолковского. Секция «К. Э. Циолковский и философские проблемы освоения космоса». — М.: ИИЕиТ АН СССР, 1988. С. 4-40; см. с. 9.

[173] Подробней с этой проблемой можно познакомиться в книге: Сурдин В.Г. Динамики звездных систем. — М., 2001.

[174] Этот результат, полученный в рамках классической механики и боровской модели атома, остается в силе и для квантовой механики.

[176] Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. — М.: Наука, 1984.112 с.