Антропний принцип у Всесвіті

13

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

Антропний принцип у Всесвіті

Людина утримується на межі двох безодень -- безодні нескінченності й безодні небуття, неприступних, прихованих від людського ока непроникною таємницею, ніби не в змозі навіть наблизитися до розуміння цих меж -- кінця світобудови і його початку, так само, як вона не може осягнути небуття, з якого вона виникла, і нескінченності, в якій розвіється.

(Блез Паскаль)

У сучасній постановці космологічний антропний принцип стосується головним чином двох бентежних проблем науки: чому Всесвіт такий, а не інакший та яка роль і місія людини в космосі? Не дивно, що ці питання привертали до себе увагу людей із сивої давнини і належать до найактуальніших упродовж усієї історії людства. Кожна епоха відзначалася властивим їй трактуванням цих проблем на базі розробленої на той час світоглядної космологічної концепції.

У геоцентричному світі Арістотеля (384--322 pp. до н. є.) і Птолемея (близько 87--165 pp. н. є.) центром Всесвіту вважалася Земля, навколо якої обертаються всі світила. З цим постулатом людина автоматично потрапляла в центр Всесвіту. Концепція центрального положення людини у Всесвіті свого часу дістала назву антропоцентризму, а в нашу пору набула широкої популярності в дещо зміненій ідеології антропного принципу.

М. Коперник (1473--1543) позбавив Землю привілейованого місцеположення, але в уявленнях мислителів тієї епохи Всесвіт обмежувався Сонячною системою (на той час орбітою Сатурна), а ставлення до зір було таке, як і в античні часи, -- уважалося, що Сонячна система оточена сферою нерухомих зір. За словами Й. Кеплера (1571--1630) «зоряна сфера складається з льоду або кришталю». Цю сферу він «помістив» на відстані 60 мільйонів радіусів Землі, тобто у 100 разів ближче, ніж, як відомо тепер, розміщується найближча до нас зоря.

У цьому світі центром світобудови було Сонце (звідси термін «геліоцентрична система світу»). Правда, Кеплер висловлював і інші думки, які на той час уважалися фантастичними, а саме, що зорі мають однакову природу з нашим Сонцем і що вони, подібно до Сонця, оточені планетами. Особливо гаряче відстоював цю ідею Джордано Бруно (1548--1600), який уважав також, що Всесвіт нескінченний. Відомо, що в конфлікті з офіційною владною силою, якою на той час була католицька церква, він поплатився життям.

Невдовзі після цього Молочний Шлях за допомогою телескопа, винайденого Г. Галілеєм (1564--1642), був розділений на велику кількість зір. Завдяки працям В. Гершеля (1738--1822) уперше вдалося скласти уявлення про нашу зоряну систему -- Галактику. Деякий час уважалося, що вона єдина і є центром Всесвіту. Проте вже Гершель називав маленькі туманні плями, видимі в його телескоп, молочними шляхами, запровадивши для нашої Галактики написання терміна «Молочний Шлях» з великої літери. Ці здобуті спостережною астрономією досягнення ніби стверджували ідею Дж. Бруно про множинність і рівноправність світів та про еквівалентність будь-якого місця у Всесвіті.

У XVIII і XIX століттях більшість учених дотримувалися тої думки, що головною рушійною силою Всесвіту є ньютонівська сила тяжіння, згідно з якою процеси в ньому здійснюються механічно з точністю добре налаштованого годинника. Дещо бентежили незрозумілі й захопливі досягнення у світі живого. Відомий богослов В. Палей свого часу писав: «Ті самі мотиви, що викликали появу ока як механізму зору, зумовили появу і телескопа для допомоги зору». Ч. Дарвін (1809--1882) пояснював ці успіхи природним добором і пристосуванням живих організмів до умов «безжально нейтрального світу».

І все ж проблема не здавалася настільки драматичною, доки вивчення Всесвіту обмежувалося запитанням, який Всесвіт. Але уже А. Ейнштейн (1879--1955) ніби в заповіт поставив перед фізиками майбутнього проблему стосовно того, чому Всесвіт саме такий, а не інакший. У зв'язку з цим близько чверті століття тому звернули увагу на те, що багато основоположних констант Всесвіту настільки тонко узгоджені між собою -- унаслідок цього Всесвіт еволюціонує саме тим шляхом, який ми в дійсності спостерігаємо: розширення з певною швидкістю, формування галактик і зір, синтез важких хімічних елементів у зорях (первинними хімічними елементами Всесвіту були водень і гелій), умови для появи життя й розуму, -- що серед спеціалістів це викликало і розгубленість з одного боку, і.ентузіазм та натхнення -- з іншого.

Проблема ця теж має свою передісторію. Ще в 30-х pp. XX ст. багато видатних фізиків зацікавилися питанням про походження числових значень фундаментальних фізичних констант (гравітаційна стала, спектр мас елементарних частинок та ін.). А. Еддінгтон (1882--1944) уважав, що ці константи можна дістати без емпіричних даних чисто дедуктивно з їхніх безрозмірних комбінацій. Деякі з цих комбінацій дивним чином збігалися з двома числами -- 10⁴⁰ і 10⁵⁰. Слідом за Еддінгтоном П. Дірак вважав ці збіги не випадковими, а результатом дії якогось ще не відкритого закону природи.

Наприклад, відношення електричної й гравітаційної взаємодій між електроном і протоном приблизно дорівнює так званому хабблівському вікові Всесвіту Т_н = І/Н = 10¹⁷ с, якщо цей вік виразити в «одиницях атомного часу» ф = е²/(4ре₀m_ec³) =10²³ с (інтервал для подолання світлом поперечника атомного ядра), тобто

Параметр Хаббла З визначається з пропорційного збільшення швидкості розбігання галактик із віддаллю г до них:

н = Hr,

де е₀ -- електрична стала, e -- заряд електрона, G -- гравітаційна стала, т_р і т_е -- відповідно маси протона й електрона, с -- швидкість світла.

Кількість нуклонів (протонів і нейтронів) у Метагалактиці (доступній для спостережень частині Всесвіту) приблизно дорівнює 10⁵⁰. Таких безрозмірних співвідношень, що дають вищезгадані великі числа, можна скомбінувати близько десятка. Відомий американський космолог Р. Діке вважає, що такі збіги можна пояснити принципом Маха, згідно з яким інерція будь-якої маси (а за деякою інтерпретацією цього принципу і константа G) зумовлена впливом усієї матерії Всесвіту на цю масу. Звичайно, багато спеціалістів не вважають цей принцип переконливим. І це зрозуміло. Переконливим він може бути лише тоді, коли буде розкрито сутність маси. Відомо також, що принцип Маха спонукав Ейнштейна до створення загальної теорії відносності.

Навіть при розширенні Всесвіту по інерції (н - const для окремо взятої галактики), тобто без дії гравітаційного притягання між галактиками, г повинно зростати з часом, а внаслідок цього із (2) випливає, що З буде відповідно зменшуватися. Тоді згідно з (1) зменшується з часом і G. Вікові зменшення G повинні були б проявитися на зміні земного радіуса, віковому сповільненні обертання Землі, зміні віддалі Землі й планет від Сонця, що не могло б залишитися без помітних наслідків протягом геологічної історії Землі. Незважаючи на те, що проблему досліджувало багато вчених, помітних вікових змін G за геологічними і астрономічними даними не виявлено.

І все ж аналіз співвідношень і абсолютні значення світових констант без сумніву переконують, що вони мають не випадкові і не незалежні між собою значення. Дійсно, уже на рівні неживої природи існують складні структурні утворення (ядра атомів, атоми, молекули, планети, зорі, галактики), для виникнення яких необхідні надзвичайно тонко узгоджені між собою згадані світові константи. «Малий запас міцності нашого світу просто вражає», -- проголошує відомий російський фізик Л. Окунь. Навіть при невеликих змінах указаних параметрів Всесвіт змінює свій вигляд, причому лише в одному напрямку -- у бік спрощення своєї структури без виходу на антропогенез. Ось деякі факти [1, 3].

Якщо гравітаційна взаємодія або середня густина матерії у Всесвіті були б меншими, або швидкість розширення Всесвіту більшою, то галактики й зорі не могли б сформуватися гравітаційною силою. Менша гравітація не забезпечила б термоядерних реакцій у зорях, а більша різко зменшила б час життя зір.

Якщо гравітаційна взаємодія або середня густина матерії у Всесвіті були б більшими, або швидкість розлітання галактик -- меншою, то часу існування Всесвіту, який розширюється, не вистачило б для еволюції життя до його розумного увінчання. Суттєво зменшилась би також і тривалість еволюції зір. Відзначимо до речі, що у Всесвіті, який стискується, згідно з так званим парадоксом Ольберса, температура неприйнятно висока для біологічних процесів.

Якщо різниця мас нейтрона й протона була б меншою, то нейтрони не могли б розпадатися на протони і електрони в реакції n>p+e + v (v -- нейтрино), оскільки не вистачає маси на електрон, а вільні протони розпадуться на нейтрони й позитрони (античастинки електронів). У такому світі в галактиках можуть сконденсуватися лише білі карлики, нейтронні зорі та чорні дірки, тобто ті «зоряні трупи», якими закінчується еволюція зір та активна генерація енергії зорями реального Всесвіту. Атоми як «планетарні системи», утворені електричною взаємодією між протонами й електронами, не могли б існувати.

Якщо б маса електрона була більшою тільки в 2,5 раза, то проходила б реакція об'єднання протонів з електронами та утворення нейтронів:

р + е = n + v,

відповідно до якої вся речовина Всесвіту перетворилася б у нейтрони й нейтрино, а зоряний світ був би обмежений лише нейтронними зорями й чорними дірками.

5. Якщо сильна (ядерна) взаємодія була б усього на 2 % більшою, у процесі нуклеосинтезу утворювалися б дипротони. Увесь водень був би вичерпаний уже на стадії первинного космологічного нуклеосинтезу до формування галактик і зір. Уся речовина Всесвіту складалася б із гелію (фактичний склад Всесвіту: 77 % водню, 21 % гелію і 2 % важчих хімічних елементів). А без водню не було б зір головної послідовності з довготривалими реакціями синтезу гелію з водню. Саме навколо таких зір зі стабільними упродовж мільярдів років умовами можлива еволюція живої матерії. Без водню не було б води, не можливі були б й органічні сполуки.

6. Якщо б сильна взаємодія була вдвічі меншою, або коли б електромагнітна взаємодія або заряд протона були б більшими, то уже ядра заліза, а тим більше важчих хімічних елементів, були б радіоактивними.

За попередніми даними маса спокою нейтрино становить 5 10"⁵ маси електрона. Але внаслідок великої концентрації у Всесвіті (близько 10⁹ м"³) їхня сумарна маса може переважати масу зір, і структура Всесвіту дуже чутлива до маси нейтрино. Якщо ця маса була б на порядок більшою, то, можливо, розширення Всесвіту давно б припинилося внаслідок гравітаційної дії нейтрино.

Якщо б слабка взаємодія була меншою або більшою, то порушилася б рівновага між гравітаційним колапсом і тиском нейтрино на зовнішню оболонку зорі при вибуху наднової. При більшому значенні слабкої взаємодії нейтрино колапсува-ли б, а при меншому -- не змогли б викликати вибуху наднової. Без спалахів наднових газопилова компонента Всесвіту не одержала б важких хімічних елементів, без яких не було б можливим утворення нових поколінь зір із твердими поверхнями планет і оптимальними на них умовами для життя. Слабку взаємодію відрегульовано так, що водень у зорях головної послідовності горить з малою та постійною швидкістю.

Якщо б енергетичний рівень резонансу ядра вуглецю ¹²С не збігався з тепловою енергією типової зорі (червоного гіганта), то утворення вуглецю при малоймовірному зіткненні трьох ядер гелію проходило б значно рідше. Ефективність синтезу цього всебічно важливого елемента була б суттєво меншою, а кількість вуглецю в природі -- недостатньою.

10. Якщо б ядро кисню ¹⁶О мало рівень резонансної енергії, близький до умов горіння гелію в червоних гігантах, то весь вуглець вигорав би в реакціях:

¹²С + ⁴Не = ¹⁶О,

а без вуглецю неможливі були б біоорганічні сполуки. «Якби ви хотіли утворити вуглець і кисень приблизно в однакових кількостях у зорях, то повинні були б задати два рівні резонансів, причому саме там, де ці рівні дійсно мають місце. Твереза інтерпретація фактів дає можливість припустити, що у фізиці, а також у хімії і біології експериментував надінтелект і що в природі немає сліпих сил, вартих уваги» (Ф. Хойл) [1, с 141].

Відносно умов на Землі відомий український астроном І. А. Климишин [3] наводить такі збіги сприятливих факторів:

Вода має найбільшу густину при температурі +4 °С, завдяки чому лід перебуває над водоймами. В іншому випадку, як при замерзанні інших речовин, лід випадав би на дно, водойми промерзали б до дна, і життя в них було б неможливе.

Атмосфера Землі складається з таких газів і в такому співвідношенні, які найкраще сприяють розвиткові та існуванню життя. Якщо б концентрація кисню була більшою, то все, що може горіти, уже давно згоріло б, а при меншому значенні цієї концентрації горіння було б зовсім неможливим.

Розміри Землі: більша маса утримала б водень в атмосфері, і вона була б непридатною для життя, а менша маса не утримала б кисню.

При більшій на 1 % віддалі Землі від Сонця ще 2 млрд років тому почалося б некероване зледеніння, а при меншій на 5 % відстані вже 4 млрд років тому почався б нестримний парниковий ефект зі значним підвищенням середньорічної температури нашої планети. Парниковий ефект, створюваний в атмосфері Землі частками одного відсотка вуглекислоти й водяної пари, сприяє підвищенню температури на поверхні Землі на 30°, тобто підтриманню її на оптимальному рівні.

5. Тривалість доби на Землі і її колова орбіта є важливою основою для підтримки температури поверхні в оптимальних для життя межах.

6. Відома роль також озонового шару повітря, який є захисним щитом живого від космічного ультрафіолетового випромінювання.

З огляду на ці та інші аргументи російський фізик, член РАН В. Струминський [4] уважає, що необхідними компонентами Всесвіту є матерія, енергія і Духовна субстанція, яка зумовлює появу живої матерії. Кількість матерії, енергії і Духу зберігається, якщо між ними немає взаємодії. Проте якість матеріального світу прагне до хаосу і не може створити нічого складнішого за себе. Енергія, у свою чергу, має природну тенденцію змінюватися в напрямі збільшення ентропії і прагне до теплової смерті, а якість Духовного світу може і не прагнути до нуля. «Духовний світ космосу протягом тривалого часу робив усе для розвитку на Землі духовних начал через організацію творчо активної людської спільноти, яка з огляду на розвиток науки, мистецтва і своєї самосвідомості може виявитися спроможною злитися з Духовною субстанцією Всесвіту і взяти участь у розв'язанні глобальних проблем Духовного світу: створенні умов для уповільнення зростання ентропії в певних сферах Всесвіту, розв'язанні проблем, які забезпечують виживання людства на Землі і в космосі» [4].

Проте людство досі виявилося неспроможним розв'язати грандіозні наміри Духу. На певному етапі розвитку людство зневажливо поставилося до природних інстинктів (головним з яких є захист особин свого власного виду), якими Дух наділив живі істоти на Землі і які оберігали людство протягом мільйонів років. У гонитві за владою, чисельністю воїнів і рабів на значних просторах планети точилися криваві битви. Основні сили людства зосереджувалися не на розвитку духовності, а на розв'язанні військових конфліктів, тобто на розвитку майстерності в знищенні собі подібних. «Так були зірвані наміри Духу щодо розвитку науки і щодо розвитку самосвідомості людства» [4]. Незважаючи на це, Духовний Світ, очевидно, ще не втратив сподівань на виправлення людства, яке все ж еволюціонувало в напрямі пригнічення набутих негативних інстинктів.

Таким чином, антропоцентризм або антропний принцип, як ми бачили з історії еволюції цієї проблеми за образним висловом Климишина «вигнаний через двері, знову і знову повертається через вікно». Запропоновані для пояснення цього феномена матеріалістичні гіпотези можна розділити на такі дві групи.

1. У Всесвіті діють якісь загальні закономірності, причин яких ми ще не знаємо і які зумовлюють єдино можливі значення й співвідношення основоположних параметрів Всесвіту.

2. Всесвіт може існувати, чергуючись у часі, у найрізноманітніших варіантах, або, навіть, в один і той же час існує багато всесвітів, але спостерігати ми можемо єдиний, а саме той, який допускає існування розумного спостерігача. Є гіпотеза про те, що всесвіти, які з'являються з невдалим поєднанням констант, подібно до живих дефективних мутантів, не виживають у боротьбі за існування з суперниками, які мають наближені до ідеалу параметри, і зникають або асимілюють з останніми. Щоправда, саме уявлення про інші Всесвіти, що перебувають за межами нашого, як і роздуми про початок часу і межі' простору, здаються нам фантастичними, і приводять людський розум до грані реальності. Але саме ця загадковість, яка інтригує, і є головною привабливістю космології -- науки про Всесвіт.

У зв'язку з наведеним Б. Картер пропонує дві формули антропного принципу (АП).

1. Слабкий АП: «Наше положення у Всесвіті є привілейованим у тому розумінні, що воно повинно бути сумісним з нашим існуванням як спостерігачів», тобто: оскільки ми тут, то умови повинні бути сприятливими для нашого існування.

2. Сильний АП: «Всесвіт, (а отже і фундаментальні параметри, від яких він залежить) повинен бути таким, щоб у ньому на деякому етапі еволюції допускалось існування спостерігачів» [2, с 372], тобто: Всесвіт був сконструйований (призначений) для нашого існування. Ця формула відома також, як телеологічний аргумент, згідно з яким еволюція є здійсненням наперед визначеної мети.

Серед інших формулювань сильного АП заслуговує на увагу так званий остаточний або вирішальний АП: у Всесвіті повинна появитися інтелектуальна обробка інформації, а коли вона появляється, то вже ніколи не зникає. Таким чином, при практично нескінченно протяжній у часі й просторі еволюції людської цивілізації питання безсмертя особистості й воскресіння мертвих стає лише питанням часу. Як відзначається в сучасних джерелах, проблема ця нереальна сьогодні, але цілком імовірна навіть з врахуванням наших нинішніх фізичних знань. Очевидно, найцікавішим підходом є створення системи в тому самому квантовому стані, якою вона була раніше в певний момент часу. Це стане можливим протягом часу, навіть короткого в космічному масштабі, із розвитком нанотехнологій. Адже кожна людина -- це врешті-решт деяка скінченна система частинок.

Цікаву концепцію цієї проблеми пропонує А. Д. Сахаров. Ось фінал його Нобелівської лекції: «Я захищаю також космологічну гіпотезу, згідно з якою розвиток Всесвіту повторюється в головних рисах нескінченне число разів на попередніх і наступних до нашого сторінках. Але все це не повинно применшити нашого священного прагнення саме в цьому світі, де ми, як спалах у пітьмі, виникли на одну мить з чорного небуття несвідомого існування матерії, здійснити вимоги Розуму і створити життя, гідне нас самих і неясно угадуваної нами мети».

Людина повинна гідно й відповідально здійснювати себе перед лицем земної природи й Всесвіту, уособлюваного можливими формами позаземного Розуму. Нехай наша цивілізація уподібниться до кожної людини, яка завжди живе з почуттям, ніби за нею постійно спостерігають, а тому уникає вчинків, яких треба соромитись. Мабуть, ми не станемо справжнім людством, глобальною персональністю, доки не стане для всієї Землі нормою сором жити не по-людському.

Література

1. Девис П. Случайная Вселенная. -- М.: Мир, 1985.

2. Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии // Космология. Теория и наблюдения. -- М., 1978.--С. 369--370.

3. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. -- М.: Наука, 1989.

4. Струминський В.В. Як і для чого виникло життя на Землі // Вісник НАН України.-- 1997.--№ 1-2.--С. 80--87.