9.1.5. Антропный принцип90

В 1973 г., на съезде учёных, посвящённом пятисотлетию со дня рождения Н. Коперника, английский физик Б. Картер выдвинул так называемый антропный принцип (АП), декларирующий наличие взаимосвязи между параметрами Вселенной и существованием в ней разума. Формальный толчок началу дискуссии о месте человека во Вселенной дало обсуждение проблемы совпадения больших чисел – странной числовой взаимосвязи параметров микромира (постоянной Планка, заряда электрона, размера нуклона) и глобальных характеристик Метагалактики (ее массы, размера, времени существования). Эта проблема поставила вопрос: насколько случайны параметры нашего мира, насколько они взаимосвязаны между собой, и что произойдет при их незначительном изменении? Анализ возможного варьирования основных физических параметров показал, что даже незначительное их изменение приводит к невозможности существования нашей Метагалактики в наблюдаемой форме и не совместимо с появлением в ней жизни и разума.

Взаимосвязь между параметрами Вселенной и появлением в ней разума была выражена Картером в двух формулировках – сильной и слабой. «Слабый АП» лишь констатирует, что имеющееся во Вселенной условия не противоречат существованию человека: «Наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием как наблюдателей».

«Сильный АП» выдвигает более жесткую взаимосвязь параметров Вселенной с возможностью и необходимостью появления в ней разума: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей».

Английский физик С. Хоукинг в популярной книге «Краткая история времени» определяет «Слабый АП» следующим образом: «Слабый Антропный Принцип утверждает, что во Вселенной, которая велика или бесконечна, условия для развития разумной жизни возникнут только в определённых районах, ограниченных во времени и пространстве. Поэтому разумные существа в этих районах не должны удивляться, что в их части Вселенной условия как раз те, которые необходимы для их существования».

О «Сильном АП» он говорит следующее: «В соответствии с этой теорией, имеются либо многие различные вселенные, либо различные районы в пределах одной Вселенной, каждый со своей начальной конфигурацией и со своим собственным набором законов науки. В большинстве этих районов условия не подходящие для развития сложных организмов; только в немногих из них, подобных нашей Вселенной, разумная жизнь разовьётся и задаст вопрос: почему Вселенная такова, какова она есть? Ответ прост: если бы она была иной, мы не были бы здесь».

Можно сформулировать два крайних предположения обосновывающих АП:

1. Разум в нашей Метагалактике явление абсолютно случайное, которое стало возможным лишь благодаря маловероятному, но реализованному совпадению многих независимых физических параметров

2. Наличие биологической и социальной форм движения закономерное следствие развития Вселенной, а все ее физические характеристики взаимосвязаны и взаимообусловлены таким образом, что с необходимостью вызывают появление разума.

Для понимания Антропного принципа важно уяснить одно существенное, обстоятельство: он был выдвинут вне всякой связи с проблемой существования разумной жизни или исследованием места человека во Вселенной. Космологов и физиков-теоретиков, занимающихся космологией, интересовали совсем другие проблемы: почему тот или иной космологический параметр имеет вполне определенное значение? Почему мир устроен так, а не иначе? Почему Вселенная такова, как мы ее наблюдаем? Подход, который использовался при решении этой проблемы, соответствует обычной, принятой в физике методологии. Если нас интересуют значения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значения и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой системе (в данном случае во Вселенной). Этот естественный и вполне разумный подход неожиданно привел к установлению связи между существованием наблюдателя и наблюдаемыми свойствами Вселенной. Проиллюстрируем это несколькими примерами.

Размерность физического пространства «N». Это одна из фундаментальных важнейших характеристик нашего мира. Почему пространство имеет три измерения? Очевидно, при «N<3» человек существовать не может. Возможно, что существуют двумерные и одномерные миры. Мы можем мысленно изучать их свойства, но наблюдать эти миры мы не можем. Остаются миры, в которых «N >= 3». Каковы физические законы в этих мирах? В нашем трехмерном мире для дальнодействующих взаимодействий (к которым относятся гравитационное и электромагнитное взаимодействия) сила взаимодействия двух точечных источников убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними - закон всемирного тяготения и закон Кулона. Выражение для силы можно записать в виде «F3 = а3/Р3-1», где а3 - коэффициент пропорциональности, зависящий от произведения взаимодействующих зарядов (или масс). Индекс 3 указывает, что формула справедлива для трехмерного пространства. Эту формулу легко обобщить на случай N - мерного пространства:

«FN = аN/RN-1». Анализ характера движения под действием такой силы (П. Эренфест, 1917 г.) показал, что при «N >= 4» в задаче двух тел не существуют замкнутые устойчивые орбиты: планета либо падает на центральное тело, либо уходит в бесконечность. То есть, в таких мирах не существует аналогов планетных систем и атомов, а, следовательно, в них невозможна жизнь. Таким образом, размерность пространства оказывается жизненно важным фактором. Единственное значение параметра «N», которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, «N = 3». Это, конечно, не объясняет, почему наш мир трехмерный, но это указывает на то, почему мы наблюдаем именно такой мир: в другом мире мы просто не могли бы существовать.

Это относится не только к человеку, но к любому разумному существу (наблюдателю), представляющему собой некую сложную структуру, построенную из атомов. Здесь даже не обязательно ограничиваться рассмотрением водно-углеродной формы жизни.

Средняя плотность вещества во Вселенной. В космологии существует понятие критической плотности «pc». Если средняя плотность вещества во Вселенной «р<pc», то кривизна пространства отрицательна, Вселенная неограниченно расширяется. При «р>pc» кривизна положительна, мир замкнут, расширение сменяется сжатием. При «р=pc» кривизна пространства равна нулю - геометрия мира евклидова. Критическая плотность pc = 10²⁹. Средняя плотность «светящегося» вещества, полученная из наблюдений, меньше pc, но по порядку величины близка к ней. Если учесть возможно существующую «скрытую массу» во Вселенной, то средняя плотность р должна быть еще ближе к критической; может быть она даже превзойдет ее, но останется вблизи pc. Итак, во Вселенной удовлетворяется соотношение «р ~= pc». Такое совпадение удивительно, так как плотность, вообще говоря, может иметь произвольное значение.

Средняя плотность связана со скоростью расширения Вселенной. Если «р<<pc», Вселенная расширяется слишком быстро, и в ней не могут образоваться гравитационно-связанные системы - галактики и звезды, которые необходимы для жизни. Если «р>>pc», гравитационно-связанные системы легко возникают, но время жизни такой Вселенной (длительность цикла расширение-сжатие) мало, много меньше, чем требуется для возникновения жизни. Таким образом, если бы условие «р~=pc» не выполнялось, то жизнь в такой Вселенной была бы невозможна. Следовательно, средняя плотность вещества во Вселенной тоже оказывается жизненно-важным фактором, а условие «р~=pc» - необходимым для существования жизни во Вселенной. Это, не объясняет, почему в нашей Вселенной выполняется данное соотношение, но позволяет предсказать его для любой обитаемой Вселенной. Аналогичные выводы можно сделать в отношении анизотропии Вселенной.

Совпадение больших чисел. Существует несколько удивительных соотношений между константами, характеризующими Вселенную. Они даже получили название «совпадение больших чисел». Одно из них связывает постоянную Хаббла «Н» с атомными константами. Возникает вопрос: как объяснить это совпадение? Является ли оно чисто случайным или его можно предсказать теоретически? Оказывается это возможно, но только для обитаемой Вселенной.

Б. Картер сформулировал это положение в следующем виде: можно теоретически (до наблюдений) предсказать «совпадения больших чисел», если использовать некий Антропологический принцип: то, что мы можем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования. По существу, в предыдущих примерах, обращаясь к обитаемой Вселенной, мы неявно использовали этот принцип.

Посмотрим, как он работает в рассматриваемом примере. В соответствии с антропным принципом, в обитаемой Вселенной должно выполняться соотношение Т0 ~ = ТS где Т0 - современный возраст Вселенной (т.е. возраст в момент существования наблюдателя), а ТS - время жизни звезд. Действительно, если T0 <<ТS, то к моменту Т0 в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если T0>>ТS, , то к этому моменту все ядерное горючее уже выгорит, ядерные реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут поставлять энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие T0 ~ = ТS является необходимым для существования жизни. И поэтому можно предсказать, что оно должно выполняться в нашей Вселенной.

Очевидно структура Вселенной крайне чувствительна к численным значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Достаточно значению какой-либо из постоянных выйти за эти узкие пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения: в ней становится невозможным существование одного или нескольких основных структурных элементов - атомных ядер, самих атомов, звезд или галактик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Таким образом, значения фундаментальных констант определяют условия, необходимые для существования во Вселенной жизни (и наблюдателя). Это довольно неожиданный результат.

Он означает, что в любой обитаемой Вселенной (мыслимой или реально существующей) фундаментальные физические константы не могут иметь иных значений, кроме тех, которые известны нам из опыта. Следовательно, используя Антропный принцип, мы можем приближенно предсказать значения этих констант, ничего не зная о результатах их экспериментального определения.

Эти и подобные им примеры исчерпывают физическое содержание АП. Все остальное относится к его интерпретации. Попытка перейти от предсказания к объяснению привела к развитию концепции «ансамбля вселенных». Ансамбль характеризуется всеми мыслимыми комбинациями начальных условий и фундаментальных констант. В каждой вселенной этого ансамбля реализуется определенный набор параметров. Существование наблюдателя возможно не при всех, а только при некоторых ограниченных комбинациях параметров, которые выделяют в ансамбле миров познаваемое подмножество. Очевидно, наша Вселенная принадлежит к этому подмножеству. Можно назвать его также подмножеством обитаемых вселенных, а каждую вселенную этого подмножества - обитаемой.

Ансамбль вселенных может быть мыслимым («логически возможные миры» Г. Лейбница) или реально существующим. При этом миры могут реализоваться последовательно или существовать параллельно. Ансамбль вселенных позволяет объяснить, почему мы наблюдаем то или иное свойство Вселенной. Если это свойство является необходимым для жизни, ответ может быть таким: данное свойство относится к числу типичных свойств обитаемых вселенных, наша Вселенная обитаема, поэтому ей также присуще это свойство.