268 (Антропний принцип у Всесвіті)

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» τ = е²/(4πε₀m_ec³) =10²³ с (інтервал для подолання світлом поперечника атомного ядра), тобто

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

ν = Hr,

де ε₀ — 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 (ν - const для окремо взятої галактики), тобто без дії гравітаційного притягання між галактиками, г повинно зростати з часом, а внаслідок цього із (2) випливає, що Η 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].

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.