11223 (Антропный принцип и мега-история Вселенной), страница 2

Сфера жизни на Земле — это высочайше, непревзойденно упорядоченная структура, которая «питается» негэнтропией. Действительно, предположив, что в среднем энергия на Земле не накапливается, мы должны констатировать большую разницу потоков энтропии от Солнца и Земли в окружающее космическое пространство, с положительным балансом в пользу Земли. Земля выбрасывает энтропии больше, чем получает от Солнца, что, кстати, только одно это весьма убедительно обосновывает Гайягипотезу Джеймса Лавлока и Линн Маргулис о живой Земле. Похожее явление объясняет происхождение так называемых ячеек Бенара, упорядоченных гексагональных структур, возникающих в тонком слое подогреваемого масла, при достижении в процессе подогрева определенных критических отношений между теплопроводностью и конвекцией. Итак, Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает ее, что сопровождается ростом энтропии из-за понижающейся температуры, и выбрасывает всю пришедшую энергию вместе с наработанной энтропией, повышая энтропию окружающего космического пространства. Именно это обстоятельство, этот механизм распоряжения энтропией обеспечивает жизнедеятельность на Земле. Постоянство негэнтропийного баланса Земли в обозримые интервалы времени, по-видимому, и лежит в основе открытого Вернадским закона сохранения биомассы на Земле. То, что предложено и описано, никак не объясняет сам феномен жизни, а указывает лишь на необходимость выполнения определенных критических условий, при которых она может появиться. Кстати, как показывают исследования микробиологов и палеонтологов, жизнь на Земле появилась сразу, внезапно, вдруг, как только появились, по нашему мнению, подходящие критичные негэнтропийные условия, что произошло более чем 4 миллиарда лет тому назад. Причина внезапного появления жизни будет указана несколько ниже. В проблеме же появления человека, носителя разума, надо, как и во всех предшествующих ему процессах, искать, как минимум, отмеченные выше критичные условия энергетического и энтропийного характера, которые имеют и вселенский, и галактический, и солнечный (звездный) масштабы, которые в нашем случае оказались тонко согласованными.

Теперь мы готовы рассмотреть и сам антропный принцип, который призван объяснить причину появления разума и его единственно известного нам носителя — человека.

О базовых параметрах Вселенной и Галактики (Млечного Пути)

Несколько десятилетий назад, точнее, впервые в 1961 году, известный американский физик Роберт Дикке, а затем выдающийся английский современный физик и астрофизик Стивен Хокинг и его ученик Брэндон Картер, обратили наше внимание на то, что структура Вселенной чрезвычайно чувствительна к численным значениям констант фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и ядерного). Выяснилось, что существованию Вселенной в известной нам ее форме угрожают даже небольшие отклонения в ту или иную сторону значений заряда электрона, массы протона, постоянной Планка, скорости света и других физических параметров. Такой же физической (космической) угрозе подвергается существование самой жизни. Жизнь оказывается гораздо более тесно связанной с общекосмическими (в первую очередь, энерго-энтропийными, как отмечалось выше) условиями, чем это до сих пор предполагалось, и все менее очевидным становится взгляд на жизнь как на незначительный продукт случая (некой вселенской флуктуации). Многие процессы в космосе (здесь это синоним Вселенной) представляются направленными на возникновение и поддержание жизни. Именно эта мысль, этот вывод приводят к так называемому антропному принципу, поскольку выявляются вдруг удивительные взаимосвязи между живыми объектами, наблюдателями мира, наделенными интеллектом, т. е. нами, людьми, и фундаментальными универсальными свойствами Вселенной (иногда поэтому говорят об антропном космологическом принципе).

Непреложной истиной является тот факт, что на нашей планете существует форма жизни с сознанием, наблюдающий интеллект, который может задавать себе вопросы об окружающей вселенной и о себе самой, ответы на которые можно получить в следующей их логической последовательности (в формулировке Питера Хегеле):

сознание предполагает или уверено, что существует жизнь;

для своего возникновения жизнь нуждается в химических элементах и, прежде всего, в таких, которые тяжелее водорода и гелия (кроме самого космоса, состоящего почти на 100% из них, т. е. звезды, галактики, ничего более из водорода и гелия невозможно построить);

тяжелые элементы возникают только в результате термоядерного синтеза (сгорания) легких элементов, в результате слияния их ядер;

слияние ядер атомов происходит только в глубинах звезд и требует, по крайней мере, температуру в нескольких десятков или сотен миллионов градусов и временной интервал продолжительностью в несколько миллиардов лет для того, чтобы возникло значительное количество тяжелых элементов;

временные интервалы порядка нескольких миллиардов лет возможны лишь во Вселенной, которая сама существует, по крайней мере, несколько десятков миллиардов лет и имеет, таким образом, протяженность в несколько миллиардов или десятков миллиардов световых лет.

Этот минимум требований вселенского масштаба (но не солнечного и планетарного, которые не менее, если не более, важны, и на которых остановимся ниже) для возникновения жизни позволяет получить ответ на вопрос, почему наблюдаемая нами сегодня Вселенная так стара и так велика: потому что, в противном случае, человечества вообще не было бы. Условия, в которых могла первоначально возникнуть жизнь как вселенское явление, а вовсе не в нашей метагалактике, в которой она проявилась в частности и в известной нам конкретности, формировались безумно долго, потребовали интервала времени большего, чем существует известная нам метагалактика.

Как уже отмечалось ранее, согласно стандартной модели космогонии Лемэтра-Гамова, наш космос «стартовал» примерно 13-17 миллиардов лет назад «большим взрывом» чрезвычайно плотной и горячей материи (начальная сингулярность, неопределенное физическое состояние) и прошел с тех пор длинную историю развития. Сам момент «начала взрыва», его причина, физически мало понятен, если не сказать, что совсем не понятен, и современной физикой пока не понят до конца, но считается, что по прошествии одной миллионной доли секунды дальнейшее развитие может быть описано с помощью известных в физике законов микромира и природы в целом.

Через 100 секунд температура все еще составляла миллиард градусов; 25% ядер водорода превратилось в ядра гелия. Через 400 000-700 000 лет возникли нейтральные атомы водорода, примерно через один миллиард лет образуются первые звезды, галактики и тяжелые химические элементы в недрах массивных звезд. Процесс образования галактик — в противоположность возникновению звезд и синтезу элементов — понят пока недостаточно хорошо. Из первоначального количества водорода в звездах около 2% ушло на синтез таких важных для жизни элементов, как углерод, азот и кислород (некоторые подробности образования этих элементов будут обсуждены ниже).

Русский философ и драматург Александр Сухово-Кобылин, создатель «философии Всемира», которого можно, по этой причине считать одним из предтеч антропного принципа, в конце XIX века обосновывал идею, что жизнь в своем развитии должна была пройти три стадии: галактическую, сидерическую (звездную) и теллурическую (планетную). Точнее, он писал о стадиях развития цивилизации, поскольку он тогда не знал об истинных масштабах Вселенной, но позволим себе несколько переиначить его основную мысль. Предвидение Сухово-Кобылина оказалось пророческим. Как мы теперь знаем, в нашей Галактике благоприятные для развития жизни стадии создались и были пройдены в Солнечной системе на планете Земля.

Галактический пояс жизни. Наша Галактика, как и многие другие, имеет вращающуюся вокруг собственного центра спиральную структуру. Любой вращающийся объект имеет две скорости: угловую (или вращательную) и линейную. Если объектом является некоторое твердое тело, то при постоянстве его угловой скорости, линейные растут пропорционально удалению от центра вращения.

С нашей Галактикой все обстоит не так, и это ее первая тонкая и чрезвычайно существенная для нашего рассмотрения особенность (или тонкая согласованность ее частей). Именно линейная скорость вращающихся частей в ней сохраняется практически одинаковой до гигантских расстояний 18 кпк (килопарсек) от центра и равняется примерно 220-230 км/с. Этот факт свидетельствует о том, что по мере удаления от центра угловая скорость уменьшается. Это приводит к «запаздыванию» вращения внешних частей по отношению к внутренним и, в конечном счете, как итог, ведет к спиральности всей галактической системы. Как результат такого замедления вращения, по мере удаления от центра, на периферии галактики возникают специфические волны плотности, проявляющиеся в виде спиральных ветвей или рукавов. У нашей Галактики таких рукавов всего два — рукав Стрельца и рукав Персея. Принципиальным моментом в данном случае является то, что скорость вращения этих рукавов постоянна и, более того, именно на этом удалении, называемом коротационным кругом, и сама Галактика и ее рукава вращаются синхронно. Совершается это, конечно, в некотором весьма узком (по галактическим масштабам) кольце — торе радиусом всего 250 парсек, содержащем коротационный круг. Именно в зоне коротации (от англ. corotation — совместное вращение), единственной, особо выделенной, специфической зоне в каждой спиральной галактике, в ней, по мнению астрономов и астрофизиков, находится наше Солнце. Специфичность зоны коротации, прежде всего, определяется особыми условиями образования звезд. Вне пределов зоны коротации звезды подвергаются риску быть разрушенными мощнейшими ударными волнами. «Спокойная жизнь» нашего светила и его планет началась только тогда, когда они покинули место рождения нашей звезды, предположительно рукав Стрельца, и вышли в пространство между спиральными рукавами, где пребывают в благополучии до сих пор, и будут так пребывать еще не менее 10 миллиардов лет.

Базовые параметры Солнца и Земли. Продолжая поиск уникальных особенностей, определяющих сущность антропного принципа и породивших, в конце концов, жизнь, должно теперь сказать несколько слов о Солнце. Наше светило, как будто бы рядовая звезда, и тогда все ее проблемы — это проблемы общие астрофизические. Так ли это на самом деле? Если это так, то астрофизикам должны быть известны мириады «двойников» нашего Солнца. Детальный анализ спектров звезд класса нашего светила, так называемых желтых карликов, показал, что Солнце — не такая уж рядовая звезда. Пока не обнаружено ни одной звезды, которую можно было бы назвать «двойником» Солнца! Ни одна из множества исследованных звезд не обладает одновременно такими же физическими характеристиками, как температура, масса, радиус, определяющие ускорение силы тяжести, светимость, содержание металлов и микротурбулентность, какие есть у нашего Солнца. Французские астрономы, в течение 10 лет искавшие хотя бы еще одно похожее на Солнце светило, смогли обнаружить в созвездии Кормы довольно слабую звездочку, не отличающуюся от Солнца по возрасту, массе, температуре и некоторым другим показателям. Но все-таки совсем уж похожей на Солнце ее считать нельзя, так как в ней оказалось в несколько раз больше тяжелых металлов, чем в нашей звезде.

Вышесказанное о Солнце позволяет отнести его к уникальным, необычным звездным объектам. Если же соглашаться далее с некоторыми учеными, что наша планета Земля — единственная обитаемая планета в доступной для исследования части Вселенной, то возникает законный вопрос: не связана ли уникальность жизни на Земле с уникальностью физических условий на Солнце? По-видимому, исключить этого нельзя.

Уникальна также сама Земля, множество ее параметров. Мы хотели бы обратить внимание только на некоторые. Прежде всего, положение нашей планеты в солнечной системе. Расстояние от Солнца составляет около 150 млн. км. Если бы оно было всего на 8 млн. км меньше, то не могла бы возникнуть конденсация водяного пара и не образовались бы океаны, на планете главенствовал бы углекислый газ; если бы наша планета была удалена от Солнца всего на 2 млн. км дальше (!), то образовались бы ледники (как на Марсе), так что и в первом и во втором случаях возникновение жизни стало бы весьма проблематичным. Критичной также оказывается скорость движения Земли по околосолнечной орбите. Если бы она составляла всего 3 км/с, то Земля довольно скоро влетела бы в Солнце, если бы она была больше 41 км/с, то тогда Земля навечно покинула бы Солнечную систему; скорость же Земли составляет золотую середину — 30 км/с.

Известно, что доля кислорода в атмосфере составляет сейчас 21%, что предопределяет спокойное существование человека, появившегося на планете всего-то несколько миллионов лет назад (по мнению большинства исследователей). Если в атмосфере доля кислорода составляет всего 15-18%, то невозможным оказывается горение. Если же эта доля превзойдет предел 30% (по гипотезе русского геофизика Олега Сорохтина, кислород идет из недр земных в результате конвективного движения мантии от расплавленного ядра Земли к земной коре и обратно, высвобождая кислород при переплавке окислов в ядре), что, как видно, вполне возможно, то тогда будет гореть все и пожар этот не затушить! Опять же, современная доля кислорода критична! Список других уникальных параметров Земли можно продолжать долго.

Тонкая согласованность физических законов и мировых констант

Теперь вернемся к сидерическому и, еще раз, к галактическому этапам развития Вселенной. Особо впечатляющий пример тонкой согласованности встречается в механизме образования ядер углерода — ядер того химического элемента, наличие которого является одним из необходимых условий возникновения жизни.

Непосредственно после «большого взрыва» возникли только легкие элементы, точнее, их ядра, — ядра водорода, гелия и лития. Последующие, более тяжелые ядра, должны были рождаться в недрах звезд или при их взрывах, как установлено в астрофизике. Было установлено, после многих лет драматических исследований, что ядро углерода может образоваться, если прежде слились два ядра гелия-4 и образовали возбужденное ядро бериллия — 8 (4 и 8 — это числа нуклонов в ядрах), с которым резонансно, т. е. при наличии «разрешенного» энергетического уровня в ядре углерода, сливается еще одно ядро гелия-4. Когда известный физик и космолог англичанин Фред Хойл в 1954 году теоретически предложил такой вариант реакции, экспериментаторам не был известен такой «разрешенный уровень», но поразительно, что позднее этот уровень все же обнаружился и составил энергию всего-то на 4% выше массовых энергий (по Эйнштейну) соударяющихся партнеров. Это удивительное (опять удивительное!) совпадение обусловлено очень сложной картиной сильного (ядерного) взаимодействия в ядре углерода. Недостающая доля энергии легко добавляется за счет кинетической энергии соударяющихся ядер.