Антропний космологічний принцип

М. К. Гусейханов, Дагестанский державний університет, Махачкала

Вступ

Ідеї антропного космологічного принципу, що розвивалися в останньому столітті XX століття, представляють великий науковий інтерес з точки зору відповіді на питання походження й еволюції навколишнього світу. Основна ідея цього принципу полягає в тому, що фундаментальні властивості Всесвіту, значення основних фізичних констант і навіть форма фізичних закономірностей тісно пов'язані з фактом структурності Всесвіту в усіх масштабах -- від елементарних частинок до сверхскопленій галактик - з можливістю існування умов, за яких виникають складні форми руху матерії, життя і людина.

Проблема виникнення структурності світу і життя у Всесвіту традиційно трактується таким чином: що нас оточує Всесвіт володіє певними фізичними властивостями і закономірностями, пізнаваними нами. Як у такому випадку відбувається еволюція Всесвіту, що призводить до досить складним структурам, як зароджується і еволюціонує в такій Всесвіту життя? Від відповіді на ці, багато в чому ще не вирішені питання, залежить можливість існування життя в інших областях Всесвіту, в інші часи та напрямки її пошуку.

Будь-яка фізична теорія, наприклад рівняння Максвелла в електродинаміки, що ставить перед собою завдання дати повне фізичне опис тієї чи іншої системи, якщо відомий повний набір початкових даних, оскільки в різних фізичних явищах початкові дані різні. Але коли ми звертаємося до космології, питання про початкових даних і фундаментальних постійних нерозривно пов'язаний з тим, чому Всесвіт саме така, якою ми її спостерігаємо. Перед тим, як підійти до відповіді на це запитання, розглянемо, якими представляються сучасному природознавства початкові умови нашого Всесвіту.

1. Сучасна космологія

Найбільш важливим у сучасної стандартної космологічної моделі Всесвіту є питання про властивості раннього Всесвіту. Задовільна опис властивостей ранньої Всесвіту дається в моделі В. де Сіттера. Більш пізні проміжки еволюції Всесвіту даються в моделі А.А. Фрідмана. Виникає при цьому залежність розмірів Всесвіту від часу може бути приблизно описана кривою, що на рис. 1. Час переходу від десіттеровской стадії розширення (1) до фрідмановской (2) позначено через tF. Фізичний зміст часу tF в тому, що воно показує момент радикальної зміни закону розширення Всесвіту. Перехід від одного закону до іншого в момент tF означає радикальну зміну основних властивостей Всесвіту в цей момент, зміна її фазового стану.

Модель експоненціального зростання розмірів Всесвіту де Сіттера на початковій стадії її еволюції отримала назву моделі роздувається Всесвіту [1]. За цієї моделі при вся енергія світу була укладена в його вакуумі. Десіттеровская стадія розширення тривала приблизно 10-35 с. Все це час Всесвіт швидко розширювалася, що заповнює її вакуум як би розтягувався без зміни своїх властивостей. Утворилося стан Всесвіту було вкрай нестійким, енергетично напруженим. У таких випадках досить виникнення найменших неоднорідностей, що грають роль випадкової затравки, щоб викликати перехід в інший стан (як приклад можна навести явище кристалізації). При переході вакууму в інший стан миттєво виділилася колосальна енергія за рахунок різниці його початкового і кінцевого станів. Приблизно за 10-32 з простір роздулися на величезний розпечений куля з розмірами багато великими видимої нами частини Всесвіту. При цьому відбулося народження з вакууму реальних часток, з яких згодом сформувалося речовина нашої Всесвіту.

Останнім часом посилено обговорюються причини того першопоштовхом, який був початком розширень нашого Всесвіту. Один з можливих механізмів, заснований на гіпотезі про існування кванта єдиного простору-часу, описаний у теорії інфляційного Всесвіту. Розглянемо її основні положення і висновки.

А. Ейнштейн висунув ідею про існування космічного відштовхування. Якщо врахувати ці сили в рівняннях динаміки Всесвіту, то повне прискорення виявляється рівним

Прискорення тяжіння атяг

а прискорення відштовхування аотт відповідно до гіпотезою Ейнштейна пропорційно R:

$ а_ (отт) = const cdot R. $

Числове значення константи в цій формулі можна знайти визначивши середню щільність речовини під Всесвіту. Час Зараз вважається, що дуже близько до 10-29 г/см 3 і

де -- космологічна постійна, рівна ~ 10-56 см-2.

Розглянемо випадок, коли у Всесвіті немає речовини, вона порожній. При цьому М = 0 і атяг = 0. Динаміка Всесвіту описується прискоренням аотт. Можна показати, що при цьому два пробні частинки, поміщені в таку порожню Всесвіт, будуть видалятись один від одного за законом

Згідно сучасним концепціям природознавства, вакуум не пустота, у фізичному вакуумі відбуваються процеси народження і знищення віртуальних частинок. Це своєрідне кипіння вакууму не можна усунути, бо воно означало б порушення одного з основних законів квантової фізики, а саме співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Як показав Я.В. Зельдович в 1967 році, в результаті взаємодії віртуальних частинок у вакуумі з'являється деяка щільність енергії і виникає негативний тиск. Таке вакуумподобное стан хиткий, і з плином часу вона розпадається, перетворившись на звичайну гарячу матерію. Енергія вакуумподобного стану перейде в енергію звичайної матерії, гравітаційне відштовхування зміниться звичайної гравітацією, яка уповільнює розширення. З цього моменту Всесвіт почне розвиватися за відомою стандартної космологічної гарячої моделі еволюції. Розглянемо вихідні положення цієї моделі та її основні результати.

Гаряча модель Всесвіту, як і будь-яка інша, виходить з що спостерігається в даний час факту її розширення і пояснює три достовірно встановлених факту: наявність баріонів асиметрії Всесвіту; космічне відношення числа фотонів до числа баріонів, приблизно рівне 109; однорідність і ізотропності реліктового випромінювання. Теорія Великого Вибуху в наші дні вважається загальноприйнятою. Відповідно до цієї теорії, наш Всесвіт розвивалася з початкового стану, який можна представити у вигляді згустку надщільний розпеченої матерії. Випромінювання і речовина в ньому знаходилися в тепловому рівновазі. У цій раннього Всесвіту фотони ефективно взаємодіяли з речовиною, а число часток було одно числу античастинок.

Для пояснення баріонів асиметрії Всесвіту передбачається, що розпад лептокварков відбувається з перевищенням числа народжуються кварків над антікваркамі. Виходячи з що спостерігається зараз баріонів асиметрії, число кварків повинно ставитися до числа антікварков як 1000 000001 Фізичним обгрунтуванням такого припущення є існування у мікросвіті процесів, що йдуть з порушенням зарядовим симетрії (розпад К0-мезонів). При цьому важливим є те, що баріонів асиметрія не залежить від початкових умов. Народились в результаті розпаду лептокварков антікваркі і кварки анігілюють, невеликий ж надлишок кварків виживає і є матеріалом, з якого будується речовина Всесвіту. Нейтрони і протони -- основні будівельні елементи нашого речовини - з'являються через 10-6 с після Великого Вибуху. До часу з переважна частина енергії згустку укладена у випромінюванні, після цього моменту у зв'язку з утворенням протонів - в речовині. У міру розширення і остигання Всесвіту в момент часу t = 3 хв 44 с починається освіта стабільних ядер легких елементів - ера космологічного нуклеосинтезу. Загальна тривалість цієї ери невелика - лише півгодини. Розрахована за цією моделлю концентрація гелію у Всесвіті (близько 25% по масі) співпадає з даними астрофізичних спостережень.

Після ери космологічного нуклеосинтезу Всесвіт тихо остигає. Її температура знижується настільки, що електрони починають з'єднуватися з ядрами, утворюючи атоми. Енергії фотонів не вистачає для їх руйнування, з цього моменту випромінювання відривається від речовини. Подальша еволюція випромінювання відбувається в повній відповідності з законами теплового випромінювання. Теоретичне значення температури цього реліктового випромінювання, дожив до наших днів, в точності відповідає експериментальними даними. Таким чином, тільки водень і гелій утворюються власне у Великому Вибуху. Важкі елементи утворюються пізніше в надрах зірок і розсіюються в просторі завдяки зоряним вибухів.

Для подальшого розвитку найбільш важливим є те, що в перші миті освіти нашого Всесвіту сформувався весь той набір фізичних закономірностей і фундаментальних сталих, які і зумовили хід подальшої еволюції Всесвіту.

2. Фундаментальні світові постійні

Фундаментальні світові постійні - це такі константи, які дають інформацію про найбільш загальні, засадничих властивості матерії [2]. До таких, наприклад, відносяться G, c, e, h, me та ін Загальне, що об'єднує ці константи, - це що міститься в них інформація. Так, гравітаційна стала G є кількісною характеристикою універсального, яка властива всім об'єктам Всесвіту взаємодії - тяжіння. Швидкість світла c є максимально можлива швидкість розповсюдження будь-яких взаємодій у природі. Елементарний заряд e - це мінімально можливе значення електричного заряду, існуючого в природі у вільному стані (що володіють дробовими електричними зарядами кварки, мабуть, в вільному стані існують лише в надщільний і гарячої кварк-глюонної плазмі). Постійна Планка h визначає мінімальну зміна фізичної величини, що називається дією, і відіграє фундаментальну роль у фізиці мікросвіту. Маса спокою me електрона є характеристика інерційних властивостей стабільної найлегшій зарядженої елементарної частинки.

константою деякої теорії ми називаємо значення, яке в рамках цієї теорії вважається завжди незмінним. Наявність констант при виразах багатьох законів природи відображає відносну незмінність тих чи інших сторін реальної дійсності, що виявляється в наявності закономірностей.

Самі фундаментальні постійні G, c, e, h є єдиними для всіх ділянок Всесвіту і з часом не змінюються (про це говорять спостереження і стандартна теорія), з цієї причини їх називають світовими постійними. Деякі комбінації світових постійних визначають щось важливе в структурі об'єктів природи, а також формують характер деяких фундаментальних теорій. Так, визначає розмір просторової області для атомних явищ, а -- характерні енергії для цих явищ. Квант для великомасштабного магнітного потоку в надпровідниках задається величиною. Гранична маса для стаціонарних астрофізичних об'єктів визначається комбінацією, де mN - Усереднена маса нуклона.

Аналіз розмірностей фундаментальних сталих призводить до нового розуміння проблеми в цілому. Окремі розмірні фундаментальні постійні, як вже зазначалося вище, відіграють визначальну роль у структурі відповідних фізичних теорій. Коли ж мова йде про вироблення єдиного теоретичного опису всіх фізичних процесів, формування єдиної наукової картини світу, розмірні фізичні постійні поступаються місцем безрозмірним фундаментальних констант, таким, як,,,, me / Mp і (mn - mp)/mN. Роль цих постійних у формуванні структури і властивостей Всесвіту дуже велика. Стала тонкої структури ae є кількісною характеристикою одного з чотирьох фундаментальних взаємодій, що існують в природі, - електромагнітного. електромагнітного взаємодії фундаментальними взаємодіями є також гравітаційне, сильне і слабке. Існування безрозмірною константи електромагнітного взаємодії припускає, очевидно, наявність аналогічних безрозмірних констант, що є характеристиками інших трьох типів взаємодій. Ці константи також характеризуються наступними безрозмірними фундаментальними постійними:

константа сильної взаємодії;

константа слабкої взаємодії

де величина Дж м3 -- постійна Фермі для слабких взаємодій;

константа гравітаційної взаємодії

Числові значення констант,, і визначають відносну силу цих взаємодій. Так, електромагнітне взаємодія приблизно в 137 разів слабкіше сильного. Константи взаємодії визначають також, наскільки швидко йдуть перетворення одних частинок в інші в різних процесах. Константа електромагнітної взаємодії описує перетворення будь-яких заряджених частинок в ті ж частинки, але зі зміною стану руху плюс фотон. Константа сильної взаємодії є кількісної характеристикою взаємних перетворень баріонів за участю мезонів. Константа слабкого взаємодії визначає інтенсивність перетворень елементарних частинок у процесах за участю нейтрино і антинейтрино.

Необхідно відзначити ще одну безрозмірну фізичну константу, що визначає розмірність фізичного простору, яку позначимо через N. Для нас є звичним те, що фізичні події розігруються в тривимірному просторі, тобто N = 3, хоча розвиток фізики неодноразово призводило до появи понять, не укладаються в здоровий глузд, але що відображають реальні процеси, що існують в природі.

Таким чином, класичні розмірні фундаментальні постійні відіграють визначальну роль у структурі відповідних фізичних теорій. З них формуються фундаментальні безрозмірні постійні єдиної теорії взаємодій,, та. Ці та деякі інші константи, а також розмірність простору N визначають структуру Всесвіту і її властивості.

3. Антропний космологічний принцип

Чому з нескінченної області всіляких значень фундаментальних фізичних констант, що характеризують фізичні взаємодії, і нескінченного розмаїття початкових умов, які могли існувати в дуже ранньому Всесвіті, реалізуються величини й умови, призводять до цілком конкретного набору особливостей, які спостерігаються нами? У просторі N вимірювань точкові джерела взаємодіють з силою, де r -- відстань між джерелами. Можна показати, що стійкі руху двох тіл, взаємодіючих за таким законом, відсутні при N> 3. Ще в 20-і роки XX століття П. Еренфеста показав, що якби число просторових координат N було дорівнює чотирьом, то не існувало б замкнених орбіт планет і, природно, Сонячної системи і людини. При N = 4 була б неможлива також атомна структура речовини. При N <2 рух відбувається в обмеженій області. Тільки при N = 3 можливі як пов'язані, так і не пов'язані руху, що як раз і реалізується в спостережуваного Всесвіту.

Дослідження показують, що Всесвіт, в якій ми живемо, вдало пристосована для нашого існування. Основні властивості Всесвіту пояснюються значеннями декількох фундаментальних сталих (гравітаційна стала, маса протона і електрона, заряд електрона, швидкість світла та ін.)

У спостережуваного Всесвіту існує дивне збіг, вірніше, узгодження енергії розширення Всесвіту і гравітаційної енергії, значення фундаментальних констант гравітаційного, сильного, електромагнітного взаємодій мають такі значення, що забезпечують можливість виникнення галактик і зірок, в тому числі стабільних, в яких термоядерні реакції протікають протягом багатьох мільярдів років.

Для ілюстрації зв'язку характеристик Всесвіту з фізичними константами уявіть собі, що сталося б при зміні значень фундаментальних світових постійних. Наприклад, якщо б маса електрона була в три-чотири рази вище її нинішнього значення, то час існування нейтрального атома водню обчислювалося б кількома днями. А це призвело б до того, що галактики і зірки складалися б переважно з нейтронів і різноманіття атомів і молекул, їх у сучасному вигляді просто не існувало б.

Сучасна структура Всесвіту дуже жорстко обумовлена величиною, тобто різницею в?? ассах нейтрона і протона. Різниця дуже мала і складає всього близько 10-3 від маси протона. Однак якщо б вона була в три рази більше, то у Всесвіті не міг би відбуватися нуклеосинтез і в ній не було б складних елементів. Збільшення константи сильної взаємодії всього на кілька відсотків призвело б до того, що вже в перші хвилини розширення Всесвіту водень повністю вигорів б і основним елементом в ній став би гелій.

Константа електромагнітного взаємодії теж не може істотно відхилятися від свого значення 1/137. Якщо б, наприклад, вона була 1/80, то всі частинки, що мають масу спокою, анігілювати б і Всесвіт складалася б тільки з безмассових частинок.

Досить було б порівняно невеликого відмінності констант від існуючих в дійсності, щоб або галактики і зірки взагалі не встигли виникнути до нашого часу (якщо б константа гравітаційного взаємодії була на 8-10% менше), або зірки еволюціонували занадто швидко (якщо б вона була більше на 8-10%). У співвідношенні констант виявлені такі тонкощі, що, наприклад, константа сильної взаємодії забезпечує протікання ядерного синтезу в надрах зірок з утворенням вуглецю і кисню, які поставляються в космос при вибуху наднових зірок і служать в Надалі матеріалом для формування зірок другого покоління типу Сонця і планетних систем. Ясно, що навіть невеликого відхилення від константи сильного взаємодії було б достатньо, щоб життя на Землі виявилася неможливою. Якби величини цих констант дещо відрізнялися від їх значень, то властивості Всесвіту були б зовсім іншими. Ці самі властивості є умовами виникнення тієї форми життя, яка існує на Землі. Сутність антропного принципу в тому, що життя є невід'ємною частиною Всесвіту, природним наслідком її еволюції. Ми бачимо, таким чином, що наша реальна Всесвіт разюче пристосована для виникнення і розвитку в ній існуючої форми життя. Можна сказати, що нам просто пощастило - константи в Метагалактика виявилися сприятливими для виникнення життя, тому ми існуємо і пізнаємо Всесвіт. Але поряд з такий Метагалактика є багато інших з іншими константами, з іншим розподілом матерії, геометрією і навіть, можливо, з іншими розмірностями простору, зовсім невідповідними для життя, з умовами, які важко уявити.

Інші Метагалактика - це світи інших констант. Деякі з них зовсім не схожі на наш Всесвіт, але цілком можливо, що в якихось Метагалактика є і розумні істоти.

Суть антропного принципу, сформульованого Г.М. Ідлісом з Інституту історії природознавства РАН в 1958 році, в наступному: Всесвіт така, якою ми її бачимо, оскільки в ній існуємо ми, тобто спостерігачі, здатні поставити собі питанням про властивості Всесвіту. При інших параметрах у Всесвіті неможливі складні структури і життя у відомих нам формах [3].

Вище було відзначено, що навіть невеликі зміни фундаментальних постійних призводять до якісних змін властивостей Всесвіту, зокрема до неможливість існування складних структур, а значить, і життя [4].

Можливість узгодженого і сильну зміну всього набору фізичних констант, параметрів Всесвіту (а в принципі та фізичних законів) так, щоб отримати моделі інших всесвітів, в яких виконані якщо недостатні, то хоча б необхідні умови для виникнення складних структур і життя, видається цікавою. Звичайно, таке завдання в повному обсязі поки нерозв'язна, тому в роботі [3] автори обмежилися розглядом можливих взаємопов'язаних змін двох констант і. Дозволені області параметрів і утворюють дві острови стійкості структур (рис. 2). Точка О відповідає нашому Всесвіту. Розрахунки показують, що в області А'В'С'D 'утворення складних структур і життя неможливо, тому що мінімальна маса об'єкта в цій галузі порядку 10-5 г (маса пилинки). Всесвіти ж, у яких значення фундаментальних сталих дещо відрізняються від таких у нашого Всесвіту, але в яких також можливе існування життя, можуть існувати (область АВСD). У ній виконуються необхідні для утворення складних структур умови, область же необхідних і достатніх умов може бути суттєво меншою.

Висновок

У нашого Всесвіту сталася досить-таки точна підгонка числових значень фундаментальних констант, необхідних для існування її основних структурних елементів: ядер, атомів, зірок та галактик. Їх стійкість створює умови для формування більш складних неорганічних і органічних структур, а в кінцевому рахунку і життя. Сутність антропного космологічного принципу полягає в тому, що життя є невід'ємною частиною Всесвіту, природним наслідком її еволюції. Через те, що в дуже ранньому Всесвіті реалізувалися величини і умови, що призвели до цілком конкретних значень сучасних фундаментальних фізичних констант, що характеризують фізичні взаємодії, стало можливо наявність відомої нам Всесвіту, і ми маємо можливість пізнавати саме її [5]. При цьому виникає досить цікавий і складний з усіх точок зору, питання про причини існування такої початкової припасування значень фундаментальних сталих. Будемо сподіватися на те, що найближче майбутнє науки дасть відповідь на це питання.

Література

1. Лінде А.Д. Роздуваються Всесвіт// Успіхи фіз. наук. 1984. Т. 144, вип. 2.

2. Спиридонов О.П. Фізичні константи. М.: Висш. шк., 1991. 236 с.

3. Новиков І.Д., Полнарев А.Г., Розенталь И.Л. Числові значення фундаментальних постійних і антропний принцип// Изв. АН ЕССР. 1982. Т. 31, N 3.

4. Розенталь И.Л. Фізичні закономірності та числові значення фундаментальних констант// Успіхи фіз. наук. 1980. Т. 131, вип. 2.

5. Суттю Т.Я. Ідея глобального еволюціонізму і принцип антропного. М., 1986.

Рецензент статті В.М. Ліпунов