Основы современных представлений о строении и эволюции Вселенной

4.Устойчивость Вселенной и антропный принцип

В связи с уже упомянутой ранее «подгонкой» мировых констант встает вопрос не только о пределах изменения их значений в отдельности, но и об изменении в целом всего набора этих констант, что позволяло бы судить об устойчивости структуры Вселенной.

Следует заметить, что с общечеловеческой точки зрения разумным ограничением на изменение набора констант в целом является сохранение условий для возникновения и существования жизни. Попыткой ответа на вопрос, что же определяет столь точную «подгонку» мировых констант, что реализует существование сложной структуры Вселенной и образование жизни вообще, стало применение скорее гуманитарного, чем естественнонаучного антропного принципа, согласно которому наша Вселенная обладает наблюдательными свойствами именно потому, что эти свойства допускают возможность существования наблюдателя, т.е. человека.

Антропный принцип впервые в 1958 г. был предложен нашим соотечественником Г. Идлисом и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде, он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах.

• Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя.

• Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Как мы уже отмечали, фундаментальные свойства мира количественно выражаются через фундаментальные постоянные и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной и самой жизни во Вселенной, естественно, в нашем понимании. Таким образом, антропный принцип по сути превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного в центральный, приоритетный. Любая физическая теория, которая противоречит существованию человека, очевидно, не верна.

4.1.Множественность миров

Заметим также, что антропный принцип не отвергает возможности существования других Вселенных. Однако эволюция может происходить без наблюдателей, и, следовательно, жизнь в нашем понимании в них невозможна. При использовании антропного принципа появляется возможность моделировать другие допустимые Вселенные, что с точки зрения современной физики может означать доказанным существование множества миров.

Следует заметить, что сторонником идеи о множественности миров, населенных разумными существами, был известный русский ученый, основатель космонавтики К. Э. Циолковский (1857—1935). Он писал: «Вероятно ли, чтобы Европа была населена, а другая часть света нет? Может ли быть один остров с жителями, а другие — без них?» И далее: «Все фазы развития живых существ можно видеть на разных планетах. Чем было человечество несколько тысяч лет тому назад и чем оно будет по истечении нескольких миллионов лет — все можно отыскать в планетном мире». Мыслители и писатели прошлого времени представляли себе цивилизации на других планетах в социальном и научно-техническом отношениях вполне подобными современной им земной цивилизации. Циолковский справедливо указал на возможную огромную разницу уровней цивилизации в разных мирах.

Кроме того, антропный принцип приводит к мировоззренческим уточнениям не только по множественности обитаемых Вселенных, но по множественности существования жизни в нашей Вселенной. Вопрос о существовании жизни в нашей Вселенной в свете антропного принципа приобретает новую окраску. Он означает, что наша Вселенная чрезвычайно тонко приспособлена для возникновения и существования жизни. Можно было бы подумать, что это относится к отдельной достаточно крупной, но все же локальной области Вселенной, где в силу случайной флуктуации создались условия, необходимые для существования жизни. Но Вселенная в целом однородна и изотропна, т.е. ее свойства в больших масштабах одинаковы. Следовательно, когда мы говорим о чрезвычайно тонкой приспособленности Вселенной для жизни, речь идет не о локальных областях, а именно обо всей нашей Вселенной в целом. Применение антропного принципа приводит к выводу о закономерном возникновении и широкой распространенности жизни и Разума во Вселенной. Как говорил американский физик Дж. Дайсон, «если мы приглядимся ко Вселенной и увидим, как много случайностей в физике и астрономии послужили нам во благо, то кажется почти, что Вселенная в известном смысле знала, что мы появимся». Антропный принцип с точки зрения физики и философии «отвергает» возможность уникальности земной жизни. Проблемы множественности миров, неоднократно обсуждались на всех этапах человеческого общества. Например, Анаксагор выступил с идеей о гомеометриях, каждая из которых содержит в себе все свойства Вселенной. Другой пример признания множественности миров дает нам Джордано Бруно, сожженный, как известно, инквизицией за эту идею.

В современном естествознании к этой идее приводит общая теории относительности, одним из выводов которой является представление, что наш мир снаружи может выглядеть, как микрочастица. Такие объекты наш соотечественник А. А. Марков назвал фридмонами. Дальнейшее развитие идей о множественности миров привело к пониманию, что Земля находится не в центре Солнечной системы. X. Шекли показал, что и Солнце находится не в центре Галактики, а вблизи ее края. Хаббл и другие исследователи установили, что наша Галактика не только не является центром Вселенной, но и более того — у нашей Вселенной вообще нет пространственного центра — все ее точки эквивалентны. Совсем недавно мы стали понимать, что состоим не из основной материи Вселенной. А расширение Вселенной на ранних стадиях означает, что наша Вселенная не единственный из раздувшихся «шариков», а существуют другие Домены — Вселенные, разделенные подвижными границами. (Вспомним пример с воздушными шариками!)

4.2.Иерархичность структуры Вселенной

Заметим, что фундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс. Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют микромир с характерными размерами меньше, чем 10-8 м (элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы), макромир (макромолекулы, кристаллы жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела) и мегамир (планеты, звезды, галактики). Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро - и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро - и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро ~ мега/макро. В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро - от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием (квант действия) на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя - это микрообъект.

Кварки «являются» составной частью протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следуют обычные макротела, планеты и их системы, звездные скопления галактик и метагалактик, т.е. можно представить переход от микро-, макро- и мега - как в размерах, так и моделях физических процессов. Фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.

Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной рср была бы близка к критической рк, так как при рср << ркр следует, что время существования нашего мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть.

Однако современная наука не дает однозначного ответа, какое из этих отношений между ркр и рср справедливо, поскольку часть вещества находится в «невидимом» состоянии. Оценка же дает близкие значения ркр = 10-29 г/см3, рср = 10-30 г/см3, откуда следует, что уже в рамках ньютоновской механики следует возможность нестационарной или, как мы уже знаем, пульсирующей Вселенной. Из таких вариантов эволюции Вселенной можно сделать следующие выводы: из термодинамических соображений следует, что Вселенную в целом можно рассматривать как открытую систему, в которой происходят необратимые и неравновесные процессы. Тогда ркр > рср. Во всяком случае, рср и ркр близки по своим значениям, и, следовательно, антропный принцип выполняется. Заметим также, что радиус R не должен быть больше критического, поскольку в нашем миропонимании и признании общей теории относительности скорость разбегания Галактик не должна превышать скорость света (v < с). Показано, что при Ркр ~ Рср пространство может считаться псевдоевклидовым и число пространственных измерений опять же сводится к трем. Это вообще не удивительно, так как модель развита в рамках теории Ньютона. Заметим еще один интересный результат, полученный в 20-х годах П. Эренфестом (1880—1933): при четном числе пространственных координат не должно существовать замкнутых орбит планет и невозможна передача информации путем волн, что может служить дополнительным свидетельством в пользу трехмерности пространства и правильности антропного принципа.

5.Антивещество во Вселенной и антигалактики

Поскольку элементарные частицы имеют свои античастицы, т.е. наблюдается некая симметрия, то возникает вопрос, важный для космологии: если во Вселенной есть вещество, то может ли там быть и антивещество? А исходя из тех же принципов симметрии вопрос можно поставить и так: не следует ли предположить, что вещество и антивещество встречаются во Вселенной в равных количествах, т.е. может быть, есть и антизвсзды, и антигалактики? Как можно отличить антизвезду от звезды? Казалось бы, легко: атомы антиводорода испускают антифотоны, и если мы их обнаружим, то фиксируем тем самым антивещество, их излучающее. Фотон тождествен своей античастице — антифотону, и не существует различия между фотонами, излучаемыми атомами водорода и атомами антиводорода. Поэтому электромагнитными измерениями нельзя отличить вещество от антивещества.

Можно попробовать оценить количество антивещества во Вселенной по энергии аннигиляции при столкновении атомов и антиатомов. Часть этой энергии аннигиляции уносят из Галактики фотоны и нейтроны, а другая часть (электроны и позитроны) удерживается магнитными полями и остается в ней. Эти частицы, сталкиваясь в дальнейшем с атомами или антиатомами, передают свою энергию межзвездному газу. По оценке средней плотности энергии в межзвездном пространстве Галактики можно получить верхний предел концентрации антивещества в межзвездном газе. Он оказался равным крайне малой величине порядка 10-7см-3.

Если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а еще, лучше — антиуглерода, то это бы стало серьезным подтверждением гипотезы о существовании антимира. Однако вероятность возникновения антигелия за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвездного газа пренебрежительно мала, меньше 10-11. В то же время если существуют антизвезды, то в них антиводород должен превращаться в антигелий, а затем а антиуглерод. К настоящему времени антиядер пока не зарегистрировано, хотя с большой уверенностью отрицать их присутствие в космическом газе нельзя.

Так как доля антивещества в межзвездном газе не может превышать 10-7см-3, то звезды нашей Галактики состоит преимущественно (а скорее всего, исключительно) из обычного вещества. К такому же выводу приводит и оценочный расчет отношения числа нуклонов к числу антинуклонов. Оно оказалось равным 108—1010. Последний результат получил название барионной асимметрии Вселенной. Из этих оценочных расчетов следует очень важный вывод, что в целом Вселенная изначально с момента Большого Взрыва была асимметрична, что весьма существенно для физики возникающего и живого. Если же антигалактики предположительно существуют, то должен существовать механизм разделения вещества и антивещества в момент Большого Взрыва, иначе они просто аннигилируют. Такой механизм пока нам не известен.

На основе последних данных показана возможность существования в нашей Вселенной областей размером порядка 30 кПк, содержащих звездные скопления из антиматерии.

Аннигиляция — это единственный процесс, в котором исчезают обе начальные частицы и вся их масса полностью переходит, например, в энергию излучения. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть массы покоя частиц, участвующих в реакции. Расчет энергии, выделяющейся на 1 г топлива, показывает, что аннигиляция вещества и антивещества дает 1014 Дж, деление урана 1011 Дж, сжигание угля 2,9 • 104 Дж. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом дает в тысячу раз больше энергии, чем при делении такого же количества урана.

Если бы в нашем распоряжении была небольшая планета из антивещества и если бы умели извлечь эту энергию аннигиляции и перевести ее в электрическую, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Тогда для обеспечения Земли годовым запасом электроэнергии надо отколоть от такой антипланеты и подвергнуть аннигиляции кусок антивещества массой всего лишь 1000 кг. Сравните эти 1000 кг с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые добывают ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу! Кроме того, антивещество было бы идеальным топливом еще и потому, что оно не загрязняло бы так окружающую среду, как нынешняя энергетика. Однако после аннигиляции в конечном счете остаются только γ кванты с высокой проникающей способностью.