|
|
Основные компоненты природы, характерные размеры структурных, единиц вселеннойПЛАН ВВЕДЕНИЕ 3 1. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДЫ 5 1.1. Системы разных характерных размеров. 5 1.2. Основные типы взаимодействия. 7 1.3. Квантовая теория и теория относительности. 7 1.4. Краткая история Вселенной. 8 2. ХАРАКТЕРНЫЕ РАЗМЕРЫ СТРУКТУРНЫХ ЕДИНИЦ ВСЕЛЕННОЙ 11 2.1. Строение наблюдаемой Вселенной. 11 3. ТОНКАЯ ПОДСТРОЙКА ВСЕЛЕННОЙ 13 4. КОСМИЧЕСКИЕ СОВПАДЕНИЯ 17 4.1. Большие числа. 17 4.2. Космическая динамика. 19 4.3. Согласование без обмена информацией. 19 4.4. Энтропия Вселенной. 21 5. АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП 23 5.1. Биологические предпосылки объяснения совпадений больших чисел. 24 5.2. Слабый и сильный антропный принцип. 27 5.3. Теория множественности. 28 ВЫВОДЫ 31 ЛИТЕРАТУРА 32 ВВЕДЕНИЕ Вопреки громадному прогрессу в понимании основных сил природы, достигнутому физиками в последние годы, многие фундаментальные свойства физического мира всё ещё кажутся случайными и бессмысленными. По мере проникновения в тайные строения всё большего числа физических систем, от атомных ядер до галактик, учёные всё яснее осознают, что многие свойства этих систем удивительно чувствительны к точным значениям фундаментальных "постоянных". Если бы природа выбрала немного иную последовательность чисел, то мир был бы совершенно другим. Не исключено, что и человека вообще не было и некому было бы познавать Вселенную. Ещё более удивительно то, что некоторые важные для нас структурные единицы, такие как звёзды типа Солнца, своими свойствами обязаны маловероятным совпадениям чисел, которые построены из фундаментальных постоянных, относящимся к разным разделам физики. Когда космологи занялись изучением строения и эволюции Вселенной, недоумение возросло. Установленные свойства ранней Вселенной показывают, что начальные параметры расширяющейся Вселенной были согласованы с поразительной точностью. Единственная (кроме библейской) систематическая попытка объяснить своеобразие физического мира развилась на основе радикального отхода от традиционной схемы научного мышления. Названная антропным принципом, эта идея призвана связать основные особенности мира с существованием человека в качестве наблюдателя. У истоков этого принципа стоял такой великий физик, как Больцман, а в последние годы к антропному принципу вновь обратился ряд выдающихся учёных, в том числе Брандон, Картер, Мартин Рис и Джон Уилер и др. Некоторые из них утверждают, что существование человека можно рассматривать как биологический селективный эффект, позволяющий объяснить численные значения фундаментальных физических постоянных, не поддающихся никакому другому объяснению. Хотя философские основы антропного принципа вызывают возражения некоторых авторов, трудно не поразиться невероятным случайностям, без которых было бы невозможно существование человека. Для того чтобы было более понятно, почему учёным пришлось прибегнуть к антропному принципу, ознакомимся коротко основными компонентами природы, размерами структурных единиц Вселенной и невероятными космическими совпадениями. 1. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДЫ Разнообразие и сложность физических систем, из которых состоит наблюдаемая Вселенная, столь поразительна, что задача открытия простых законов, способных описать все эти системы, кажется безнадёжной. Примечательно всё же, что, как это ни странно, фундаментальные законы, управляющие столь несходными объектами, как атомы и звёзды, достаточно хорошо понятны, чтобы большинство наиболее распространённых систем можно было бы описать единым образом. Возможность объединить проявления природы в рамках единой теории связана с тем, что фундаментальные свойства физики одновременно просты и всеобъемлющи. Теории, подобно квантовой механике, обладают настолько огромной мощностью, что они объясняют с единых позиций такие разнородные явления, как образование кристаллов и коллапс нейтронной звезды. Если детальные свойства физических систем можно установить только путём сложного анализа, то их общие свойства определяются преимущественно из нескольких элементарных соображений. И эти соображения открывают Вселенную, полную неожиданностей. 1.1. Системы разных характерных размеров. В природе обнаруживается иерархия структурных единиц. От мельчайших известных элементарных частиц, из которых состоят атомы, до крупномасштабного распределения галактик, мы наблюдаем системы с характерными строением и размерами, а каждая иерархическая ступень связана с другой ступенью вполне закономерным образом. Самая крупная из хорошо известных структурных систем - галактика. Типичным объектом этой иерархической ступени является наша Галактика. Она содержит около 1011 звёзд и имеет форму тонкого диска с утолщением в центре, где пространственная плотность звёзд очень велика. Весь комплекс звёзд и газово-пылевых облаков медленно вращается. Звёзды в галактике распределены не равномерно, а преимущественно концентрируются в спиральных рукавах. Диаметр типичной галактики составляет около 105 световых лет. Галактики во Вселенной образуют скопления, насчитывающие от нескольких десятков до многих тысяч объектов. Согласно данным наблюдений, вещество и излучение во Вселенной в ещё больших масштабах распределены удивительно равномерно. Скопление галактик не находится в покое. Сила гравитации беспрестанно стремится объединить рассеянное вещество в более компактные сгустки, так что в веществе происходит противоборство между силой гравитации и противодействующими силами. Гравитационному коллапсу противостоят центробежные силы. Кроме того, падению скоплений галактик друг на друга мешает непрерывное расширение Вселенной в целом, так что каждое скопление постепенно удаляется от своих соседей. Открытие Эдвином Хабблом в 1920 годах расширение Вселенной является краеугольным камнем современной космологии и лучше всего представляется как непрерывное "разрастание" или растяжение сопутствующего пространства. Вселенная медленно расширяется, а галактические гравитационные силы сдерживают разбегание галактик. Научные данные свидетельствуют об уменьшении скорости космологического расширения. Это постепенное замедление обусловлено тем, что гравитация слабеет по мере расширения. С увеличением расстояний между галактиками их взаимное гравитационное воздействие, сдерживающее расширение - уменьшается. Вся наблюдаемая Вселенная пронизана излучением, температура которого составляет около 3 К, что является одной из основных загадок космологии. Более мелкие структурные единицы Вселенной - звёзды, которые удерживаются в равновесии вследствие того, что сила самогравитации, которая стремится их сжать, уравновешивается давлением, которое порождается теплом, выделяющимся при ядерных реакциях в недрах звёзд. Гораздо меньшие по размерам холодные планеты преодолевают самогравитацию благодаря силам, действующим в твёрдом веществе, которые по своему происхождению, в основном, являются электрическими. Звёзды часто образуют скопления, в которых насчитывается до миллиона объектов. При ещё меньших характерных размерах мы встречаемся с многочисленными живыми организмами, (включая человека), представляющими структуры наивысшей сложности из всех известных. Далее на шкале характерных размеров располагаются живые клетки и биологически активные вещества, как ДНК, ещё далее - атомы, которые являются сложными системами с внутренней структурой. 1.2. Основные типы взаимодействия. Всё многообразие явлений природы обусловлено всего четырьмя типами фундаментальных сил, или взаимодействий: гравитационным, электромагнитным и двумя типами ядерных взаимодействий, называемыми слабым и сильным. В последние годы сделаны попытки описать эти типы взаимодействий в рамках единой математической теории. Эта так называемая теория великого объединения связало слабое ядерное взаимодействие с электромагнитным, а совсем недавно удалось объединить с ними и сильное взаимодействие. Гравитацию мы постоянно ощущаем в повседневной жизни. Сила гравитации между всеми материальными телами во Вселенной и в хорошем приближении (для звёзд и планет) описывается знаменитым законом всемирного тяготения Исаака Ньютона. В XX веке Альберт Эйнштейн разработал новую теорию тяготения - общую теорию относительности. 1.3. Квантовая теория и теория относительности. Структура нашего мира обусловлена законами, которые определяют движение тел под влиянием различных сил природы. Явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, адекватно описываются механикой Ньютона. Однако в трёх случаях законы Ньютона не выполняются. Во-первых, если скорость рассматриваемых тел приближается к скорости света, то нужно применять специальную теорию относительности. Во-вторых, в случаях сильных гравитационных полей следует отказаться не только от ньютоновского закона всемирного тяготения, но и от механики Ньютона. В-третьих, если размеры рассматриваемой системы сравнимы с размером атома. Основное положение специальной теории относительности - постоянство скорости света относительно любого наблюдателя независимо от его движения. Значит скорость света - универсальная постоянная природы. Отсюда следует, что пространственный и временной интервалы по отдельности не являются инвариантами, а изменяются от одной системы координат к другой, приводя к знаменитым эффектам замедления течения времени и релятивистского сокращения длин. Процессы слабого и сильного взаимодействия столь короткодействущи, что они всегда проявляются на квантовом уровне. 1.4. Краткая история Вселенной. Наиболее общепринятая космологическая модель основана на концепции расширения Вселенной из сингулярного состояния. Судя по временной скорости расширения, оно началось примерно 15 или 20 миллиардов лет назад, и эта оценка возраста подтверждается независимыми методами определения возраста старейших звёзд. Раннюю вселенную можно характеризовать последовательностью прохождения эпох. Ранняя Вселенная была очень горячей и плотной, различные элементарные частицы сильно взаимодействовали друг с другом, что способствовало установлению равновесия. С другой стороны, ранние эпохи были также эпохами наиболее быстрого расширения, которое, напротив, ведёт к нарушению равновесия. В качестве общего руководящего принципа можно принять, что если скорость типичной реакции для некоторого процесса взаимодействия между двумя частицами была много больше скорости расширения в данную эпоху, то равновесие преобладало. Вещество возникло в условиях термодинамического равновесия. Затем по мере расширения, скорости реакций падали и не могли больше конкурировать с темпом расширения. Таким образом, различные типы частиц одна за другой, переставали участвовать в реакциях, поддерживающих взаимное равновесие. Большинство типов частиц именно на этой стадии интенсивно аннигилировали со своими античастицами. Общая теория относительности предсказывает также будущее Вселенной, - темп её расширения постепенно замедляется. Взаимное гравитационное притяжение всех галактик и другого космического вещества сдерживает расширение. Если самогравитация вселенной не способна сдерживать расширение, то Вселенная, по-видимому, будет расширяться вечно. Звёзды со временем либо взорвутся, либо истощат запасы ядерного топлива и коллапсируют, образуя карлики, нейронные звёзды или чёрные дыры. Галактики будут светить всё слабее, а чёрные дыры будут поглощать вещество: угасшие звёзды, газ, пыль и прочее - и увеличиваться в размерах. Очень медленные процессы, - такие как излучение гравитационных волн, приведут к распаду многих систем, поэтому галактики будут постепенно коллапсировать с образованием чёрных дыр. Вещество, которое ускользает в межгалактическое пространство, охладится до температуры реликтового излучения, которое будет остывать. Затем могут появиться тонкие квантовые эффекты, в результате которых чёрные дыры медленно испарились бы и осталось бы только излучение. Протоны, излучавшие поглощение чёрной дырой, могли бы также постепенно распадаться на позитроны, которые начали бы аннигилировать с остывшими электронами. Произойдёт ли со временем полная аннигиляция зависит от деталей модели. По-видимому, в любом случае конечный вид открытой Вселенной - это очень разреженная и постепенно исчезающая смесь фотонов, нейтрино, гравитонов и, вероятно, незначительного количества электронов и позитронов. Далее ничего интересного уже не произойдёт. 2. ХАРАКТЕРНЫЕ РАЗМЕРЫ СТРУКТУРНЫХ ЕДИНИЦ Хотя в природе существует многообразие физических структур, некоторые из них более или менее равномерно распределены во Вселенной и характеризуются довольно узким диапазоном свойств. К таким объектам относятся атомы и звёзды. Специфические свойства отдельных систем зависят от законов движения и различных начальных и граничных условий, которые в совокупности определяют их поведение. Однако такие параметры как размер, масса, время жизни и т. д., с точность до порядка величины часто определяются исключительно значениями фундаментальных постоянных, как, G, h, c и пр. С помощью космологических наблюдений можно исследовать как пространственные, так и временные изменения физических законов, потому что от удалённых областей вселенной мы сегодня принимаем излучение, испущенное миллиарды лет назад. Изменения е или mе проявилось бы в спектрах далёких галактик, а изменения G вызывали бы заметные эволюционные эффекты в структуре галактик и т. д. Ни одно из самых тщательных рассмотрений не дало никаких бесспорных свидетельств изменений фундаментальных постоянных. Правда, некоторые авторы утверждают, будто гравитационная постоянная G изменяется менее чем на одну десятимиллиардную в год, но эти данные допускают и альтернативные объяснения. 2.1. Строение наблюдаемой Вселенной. Самые заметные структурные единицы в масштабах, превышающих звёздный, - это галактики. Приступая к разработке теории расширяющейся Вселенной, учёные надеялись, что существование галактик можно объяснить следующим образом. Принималось, что первичный газ, появляющийся в начале расширения, был однородно распределён по всему пространству. По мере расширения Вселенной плотность газа непрерывно падала. Статистические флуктуации этого горячего газообразного вещества приводили к незначительному увеличению плотности в одних областях и незначительному её уменьшению в других, в результате случайных возмущений в равномерно распределённом газе. В этом случае в окрестности области уплотнения гравитационное притяжение окружающего вещества было бы несколько выше, значит, появилась бы тенденция к накоплению в этой области всё большего количества вещества. Таким образом, возникает естественная тенденция роста со временем возмущений плотности. Так, в конце концов, могли бы образоваться галактики. Рост областей уплотнений должен противостоять всеобщему космическому расширению. В результате расширения плотность газа уменьшается, а возмущение плотности удерживает локальное расширение. Поэтому более плотные области газа растут, но очень медленно, чтобы этим можно было бы объяснить образование галактик за время прошедшее от начала расширения. Один способ обойти эту проблему - постулировать присутствие значительных неоднородностей плотности уже в начале расширения, так, что требовалось лишь небольшое усилие возмущений в ходе последующего расширения. Хотя это предположение и объясняет существование галактик, оно означает, что приходится допустить своевременное появление именно требуемых возмущений в надлежащем масштабе и с плотностью, достаточной для образования галактик, но не настолько большой, чтобы вызвать катастрофический гравитационный коллапс с образованием чёрных дыр. Таким образом, это объяснение существования галактик основывается на начальных условиях, а не на фундаментальных постоянных. Если бы условия отличались бы от требуемых по характерному размеру, или амплитуде неоднородности, то крупномасштабная структура наблюдаемой Вселенной была бы совершенно иной. 3. ТОНКАЯ ПОДСТРОЙКА ВСЕЛЕННОЙ Как мы уже видим, структура многих систем, наблюдаемых в природе, определяется относительно малым число универсальных постоянных. Если бы эти постоянные имели другие численные значения, чем наблюдаемые, то структура систем была бы иной. И, что особенно интересно, во многих случаях очень маленькое отличие значений привело бы к радикальному изменению структуры рассматриваемой системы. Очевидно, наблюдаемая структура мироздания обусловлена "тонкой подстройкой" этих значений. К этой "тонкой подстройке" относятся следующие понятия. 1. Нейтрино. Самые многочисленные частицы Вселенной. Теория показывает, что после начала расширения на каждый протон и электрон образовалось ~ 109 нейтрино и теперь Вселенную заполняет "океан! нейтрино. Однако нейтрино очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. Земля, например, полностью прозрачна для них. Поскольку количество нейтрино столь колоссально, крупномасштабная структура Вселенной очень чувствительны к их свойствам. Интересно также чрезвычайно слабое взаимодействие между нейтрино и обычным веществом. Хотя это взаимодействие незначительно, оно играет большую роль в космологии. По мере расширения Вселенной, темп расширения непрерывно уменьшается. Скорости реакций также уменьшаются, потому что Вселенная охлаждается, и концентрации частиц падают. Когда скорости реакций станут ниже скорости расширения, термодинамическое равновесие нарушится, и отношение числа частиц наморозится при значении, которое они имели при температуре нарушения равновесия. Водород играет очень важную роль в химии Вселенной. Без водорода не было бы органических веществ, ни воды. Не могли бы существовать и планеты, подобные Земле, с её огромными океанами. Но более существенно то, что водород является топливом для большинства обычных устойчивых звёзд, таких как наше Солнце. При определённых обстоятельствах звёзды взрываются. Ядро звёзды взрывается внутрь, внешние слои - наружу. Взрыв звезды влечёт за собой колоссальный рост светимости, так что в течение нескольких дней блеск звезды может быть сравнён с блеском целой галактики. Эта грандиозная вспышка называется сверхновой звездой (или просто сверхновой). Такие вспышки происходят в среднем около 3 раз в столетие на одну галактику. Сверхновые играют очень важную роль в химической эволюции галактик. Вещество, из которого первоначально образовались галактики, состояло из водорода и гелия. А другие тяжёлые химические элементы синтезируются в недрах звёзд. Взрыв сверхновой разбрасывает это обогащённое тяжёлыми элементами вещество на галактике. А когда образуются новые поколения звёзд и планет, сырьём для них служит вещество умерших звёзд. Углерод, который входит в состав живой материи, железо, образующее ядро нашей планеты, и уран, используемый в реакторах электростанций, образовались задолго до нашей Солнечной системы. Без сверхновых планеты Солнечной системы не могли бы существовать. 2. Ядра. Вселенная чувствительна не только к слабому, но и к сильному ядерному взаимодействию. Благодаря сильному взаимодействию нуклоны образуют атомные ядра, не смотря на электрическое отталкивание протонов. Очень важную роль в качестве источника энергии Солнца и других звёзд играет дейтерий. Солнце светит благодаря последовательности ядерных реакций, которая начинается со слияния двух протонов с образованием дейтрона, позитрона и нейтрино. Это процесс слабого взаимодействия с обратным бета-распадом, т. е. превращением протона в нейтрон. Без дейтерия цепочка ядерных реакций, в ходе которых выделяется энергия, не могли бы протекать и вряд ли могли бы существовать устойчивые, долгоживущие звёзды. Строение атомных ядер и ядерные реакции зависят, конечно, и от интенсивности электрических сил. Если бы заряд протона был больше, то стабильность тяжёлых ядер уменьшилась бы в такой же степени, как при уменьшении постоянной сильного ядерного взаимодействия. 3. Звёзды. Плотность энергии в типичной звезде сравнима с кинетической энергией частиц. Внутреннее строение звезды довольно сильно зависит от переноса тепла из её недр посредством излучения. В более массивных звёздах энергия излучения преобладает, в основном в виде потока лучистой энергии. Эти звёзды называются голубыми гигантами. В звёздах меньших масс такой механизм не осуществим, т. к. излучение не может переносить энергию достаточно быстро для поддержания поверхности звезды достаточно горячей. Если только вещество на поверхности не остаётся частично ионизированным, то появляются неустойчивости, которые приводят к возникновению конвекции. Звёзды, в которых конвекция обеспечивает основной перенос энергии, меньше и холоднее, чем голубые гиганты. Они называются красными карликами. Масса типичной звезды попадает в узкий интервал между массами голубых гигантов и красных карликов. Температура поверхности звезды связана Тs с температурой в центре Тс через светимость. Температура в центре звезды автоматически поддерживается такой, что скорость генерации энергии в ядерных реакциях равна потоку энергии с поверхности звезды. Ядерные реакции начинаются тогда, когда средняя тепловая энергия типичного протона в ядре звезды достигает энергии, необходимой для прохождения сквозь кулоновский (электрический) барьер, создаваемый другими протонами. 4. Галактики. Астрономы ещё не до конца поняли, как образовались галактики. Ясно, однако, что гравитационное сжатие должно было играть при этом важную роль. Если бы газ, который появлялся на ранних стадиях эволюции Вселенной, был распределён более или менее равномерно, то по мере расширения Вселенной, плотность её непрерывно возрастала бы. Имеется верхний предел размера галактики, определяемый временем сжатия ts, которое требуется для существенного сжатия облака и временем охлаждения tс, за которое произойдёт значительное охлаждение облака. Число звёзд в типичной галактике приблизительно равно числу галактик в наблюдаемой Вселенной, - совпадение, которое следует из случайного совпадения чисел: . 4. КОСМИЧЕСКИЕ СОВПАДЕНИЯ 4.1. Большие числа. Физиками и космологами давно подмечено, что число 1040 очень часто повторяется в несвязанных аспектах. Это число полностью составлено из фундаментальных постоянных природы. И потому, вероятно, имеет фундаментальный смысл. Оно неимоверно велико по сравнению с любым из этих первичных значений. В последние годы приняты попытки объединить четыре фундаментальных взаимодействия природы в единой математической теории. В 1976 году Стивен Вайнберг и Абдус Салам предложили теорию, которая объединила слабое и электромагнитное взаимодействия. Успешное описание множества разнообразных субатомных процессов и сведение общего числа известных фундаментальных взаимодействий с четырёх к трём в рамках теории Вайнберга-Салама, стимулировало усилия, направленные на дальнейшее объединение электрослабого взаимодействия с сильным и ядерным взаимодействием. Было предложено несколько схем. В этих так называемых теориях великого объединения помимо фотона и W-бозона вводится ещё одна частица, на этот раз очень массивная (> 1015 mр). Любопытное следствие объединения сильного взаимодействия, связывающего кварки с электрослабым взаимодействием, связывающих лептоны (а также кварки), состоит в нарушении чёткого разделения кварков и лептонов, что при некоторых условиях допускает их взаимные превращения. Большинство теорий великого объединения предсказывают значение mх в диапазоне (1015-1016) mр, и, чтобы проверить, действительно ли средний период полураспада протона 1031 лет, выполняются всё более тонкие эксперименты. Если это значение подтвердится, то tр/tр ~ 1080, т. е. равно квадрату магического числа 1040. А причина этого совпадения состоит в том, что значение mх близко к планковской массе, , которой Gm2р = 1. Считается, что планковская масса, полностью определяемая фундаментальными постоянными гравитации и квантовой теории, должна играть важную роль в любой будущей теории квантовой гравитации. Близость массы mх к mр вселяет надежду, что этот подход может привести к единому синтезу теории великого объединения с гравитацией. Это означало бы, что существует единая фундаментальная сила природы, объединяющая все взаимодействия материи. Очевидное совпадение mх ~ mр также найдёт объяснение. Независимо от того, удастся ли, исходя из этих идей, установить фундаментальную причину слабости гравитационного взаимодействия, несомненно, одно: будь гравитация значительно сильнее, структура Вселенной коренным образом изменилась бы. Поскольку число 1040 невообразимо велико, тем более поразительно встречать его в весьма разнообразных ситуациях. Артур Эддингтон и Поль Дирак обратили внимание на то, что возраст Вселенной в некоторых естественных атомных или ядерных единицах очень близок к 1040. Этот факт выражается отношением . По-видимому, нет явной связи между возрастом Вселенной и числом части в доступной наблюдениям области. Это явное совпадение двух таких невероятно огромных чисел произвело столь сильное впечатление на некоторых физиков, что они приписали ему глубокий физический смысл. В 1938 году Дирак писал: "Можно предположить, что такое совпадение является следствием некоторой глубокой связи в природе между космологией и атомной теорией". В этом вопросе есть, конечно, тонкости. Так, возраст Вселенной е является фундаментальной постоянной, а меняется со временем. Величина tН - это эпоха, в которую нам выпало жить. Поэтому Дирак предположил, что гравитационная постоянная G также не должна быть постоянной величиной, а должна меняться пропорционально 1/t, так, чтобы соотношение было справедливым во все эпохи. Магическое число 1040 связано с числом заряжённых частиц N в наблюдаемой Вселенной. 4.2. Космическая динамика. Как ни странно, оказывается, что теория Ньютона и общая теория относительности приводят к одному и тому же дифференциальному уравнению: В современную эпоху масштабный фактор а принимается равным единице. Параметр К, который не следует путать с постоянной Больцмана, имеет размерность, обратную квадрату длины. В общей теории относительности он допускает простую геометрическую интерпретацию. В любой фиксированный момент времени пространство не обязательно должно быть плоским, для которого справедлива геометрия Евклида. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что в общем случае пространство - время искривлено. Кривизна однородной Вселенной должна быть всюду постоянной. 4.3. Согласование без обмена информацией. В очень больших масштабах Вселенная удивительно однородна. Естественно, в масштабе галактик наблюдается значительное скучиванье вещества и некоторый разброс скоростей. Но в масштабах, скажем, 1024 м и выше распределение материи в высокой степени однородно и изотропно. Современные наблюдения показывают, что температуры микроволнового фонового излучения во всех направлениях одинакова с точностью до 1:104. Если только мы не занимаем выделенное положение во Вселенной, то нужно считать, что эта изотропия должна наблюдаться из любой точки, откуда в свою очередь следует однородность. Это также подразумевает, что и космологическое расширение однородно и изотропно. Горизонт определяет области пространства, которые связаны причинно. Области, находящиеся вне горизонтов друг друга, не могут "знать", что делается друг у друга. В таком случае у нас нет оснований считать, что в очень ранней Вселенной поведение областей, разделённых расстоянием более чем 10-35 м, должно быть одинаковым. В частности, нет никакой физической причины, в силу которой скорости расширения должны быть связаны в областях, разделённых более чем 10-35 м. Тогда в современную эпоху Вселенная была бы хаотична в масштабах, превышающих ~ 10-5 м, либо обнаруживались бы некоторые свидетельства исчезновения хаоса в течение эпохи 1 > tр, когда между соседними областями устанавливается причинная связь. Наблюдаемая в настоящее время Вселенная в эпоху Планка делилась горизонтом, по крайней мере, на 1080 изолированных областей, однако, как уже подчёркивалось, Вселенная поразительно однородна. Это справедливо и для областей Вселенной, причинная связь между которыми даже в настоящее время отсутствует. Две далёкие галактики, видимые с Земли в противоположных точках неба и близкие к её горизонту событий, лежат вне горизонтов друг друга. Однако эти галактики, которые находятся вне связанных причинно областях Вселенной - областях, между которыми никогда не было бы какой-либо физической связи, - выглядят удивительно похожими. Более того, галактики населяют эти области с одинаковой пространственной плотностью и удаляются от своих соседей с одинаковой скоростью. Как допустить такую степень сходства в несвязанных областях? Одно возможное объяснение связано с допущением, что расширение Вселенной началось в условиях сильной неоднородности, с турбулентным и хаотичным движением и очень неравномерным распределением вещества и энергии. Затем, по мере расширения, первичный хаос рассеялся, и установились наблюдаемая в настоящее время однородная структура движения и однородное распределение вещества. Напрашивается несколько диссипативных механизмов, например, превращение турбулентной гравитационной энергии в вещество в результате рождения пар частица - античастица. Одним из важных процессов, несомненно, является рождение частиц из энергии турбулентности, но всегда найдётся такая начальная турбулентность, которую нельзя подавить полностью, и, кроме того, некоторые анизотропные движения имеют тенденцию вновь возрастать после того, как турбулентность подавлена. Другая трудность объяснения диссипации первичного хаоса связана с избытком тепла, которое при этом вырабатывается, и, следовательно, увеличивает энтропию. Большая часть тепла сосредоточена в микроволновом (реликтовом) излучении с температурой 3 К, это ограничивает турбулентность, диссипирующую в ранней Вселенной. 4.4. Энтропия Вселенной. Одним из фундаментальных космических параметров является S - отклонение числа фотонов к числу протонов. Плотность энтропии теплового излучения пропорциональна плотности фотонов, поэтому S является также мерой энтропии на один протон во Вселенной. Полная энтропия Вселенной несколько больше, чем энтропия фотонов. Согласно теории переносчиком единой силы великого объединения, которой определялись все взаимодействия частиц (за исключением гравитационного), были сверхтяжёлые частицы, выполняющие роль, аналогично той, которую выполняют фотоны, глюоны и промежуточные векторные бозоны W и Z. По мере того, как температура падала, сверхтяжёлые частицы распадались на известные более лёгкие частицы. Вследствие возможного не сохранения барионного заряда в продуктах распада мог иметь место лёгкий перевес вещества над антивеществом возможно в необходимом отношении (1+109), что после окончания аннигиляции всего антивещества привело бы к S ~ 109. Здесь особенно интересно то, что можно вычислить фундаментальный физический параметр S на основе теории великого объединения. Ряд физиков предприняли такие попытки. Типичный ответ следующий: S ~ (отношение масс кварков) ? (mр/mх), где mх - масса сверхтяжёлых частиц. Подстановка подходящих значений даёт оценки S, правильные по порядку величины. Если изложенные идеи окажутся верными, то это будет означать, что обусловленные отношением S ~ 109 важные свойства Вселенной, такие как существование галактик и примерно равное четырём отношение количества водорода к количеству гелия, являются следствием принятых значений фундаментальных параметров теории великого объединения, таких, как сверхтяжёлые частицы. Если они отличались хотя бы в довольно умеренной степени, то Вселенная была бы совершенно иной. В частности, если бы mх << mр, то Вселенная была бы очень горячей и в ней не было бы галактик. 5. АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП Рассмотренные ранее удивительные совпадения и, по-видимому, случайная согласованность ряда величин производит впечатление, что "происходит" что-то необыкновенное, действует какой-то скрытый принцип, организующий Вселенную, определённым образом. Как иначе объяснить, что энергия Вселенной не только согласована с её гравитационной энергией, обеспечивая существование Вселенной, по крайней мере, в течение времени в 1060 раз большего, чем длительность естественной планковской единицы времени, но и согласована подобным же образом всюду в пространстве - времени, даже в причинно не связанных областях? Единственная систематическая попытка научно объяснить кажущуюся таинственной структуру физического мира основывается не на фундаментальной физике, а на биологии. Эта система аргументов основывается на существовании разумной жизни на Земле. Обычно в физике "наблюдатель" не принимается во внимание. Как правило, полагают, что мы здесь "на прогулке". Некоторые учёные подвергли сомнению это предположение, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей наблюдающих его. Они утверждают, что действительно существует некий принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку Вселенной. Но это не физический, а антропный принцип. Вселенная - весьма специфический объект: чрезвычайно однородная в большом масштабе, но всё-таки не настолько, чтобы не могли образоваться галактики, с очень низкой энтропией, приходящейся на один протон, и, следовательно, достаточно холодная для химических реакций; с практически равным нулю космологическим отталкиванием и со скоростью расширения, согласующейся с энергосодержанием с невероятной точностью; со значениями постоянных взаимодействия, позволяющими существовать ядрам, однако, не допускающим выгорания всего космического водорода, и многими, не менее очевидными, случайностями. На это обращали внимание многие учёные. Они утверждают, что если бы любое их точно отрегулированных условий, было бы нарушено, то жизнь, точнее, известная нам форма жизни - была бы не возможна. Появилась идея связать особенности мира с существованием человека в качестве наблюдателя. Такой взгляд на проблему получил название антропного принципа. 5.1. Биологическое объяснение совпадения больших чисел. Одним из первых привлёк биологию для объяснения непонятной особенности физической Вселенной Роберт Дикке в 1961 году. Дикке пришёл к выводу, что эпоха tnow - это не случайный момент, она непосредственно связана с характерным временем определенных физических процессов во Вселенной, являющихся необходимыми условиями для существования разумной жизни и, следовательно, высокоразвитой технологии. Можно представить ряд таких условий, но Дикке выбрал одно - существование химических элементов тяжелее водорода. В основе жизни живой материи на Земле лежит углерод, хотя азот и кислород также крайне необходимы. Этих элементов не было в первичной Вселенной. Их присутствие в достаточных количествах объясняется нуклеосинтезом, происходящим в недрах звёзд. Согласно Дикке, жизнь во Вселенной не может возникнуть до тех пор, пока, по крайней мере, одно поколение звёзд не завершит свой жизненный цикл, не рассеет по галактике осколки сверхновых, содержащие углерод. С другой стороны, расход водородного топлива звёздами невосполним, так что этот цикл не может повторяться до бесконечности. После смены нескольких поколений звёзд галактические запасы ядерного топлива сильно истощатся и "рождаемость" звёзд (по крайней мере, стабильных звёзд, подобных Солнцу) станет довольно низкой. Затем галактики начнёт охлаждаться и жизнь, вероятно, станет невозможной. такие представления приводят к предположению, что жизнь во Вселенной может существовать только в эпоху от t* до, скажем, 10t*, где t* - среднее время существования звезды умеренной массы. Эта величина составляет: Если теперь приравнять с точностью до прядка величины tnow с t* (исходя из того, что разумные существа могут познавать Вселенную только в течение эпохи от t* до 10t*), то одно "совпадение" больших чисел находит объяснение. Это вовсе не случайное совпадение и не проявление до сих пор не известных законов физики, а всего лишь прямое следствие физики и биологии. Можно определить нижний предел t* другим методом, не привлекающим характерное время звёздной эволюции. Б. Карр и М. Рис указали, что жизнь зависит от существования галактик, а они могут образовываться только после завершения эпох tdec и tеq. Если следовать теории великого объединения, которая предсказывает отношение фотонов к протонам S ~ 1010 ~ (а не принимать S в качестве начального условия, т. е. как свободный параметр), получим: teq ~ . И, следовательно . Идея, что наблюдатели занимают положение в пространстве, которое может оказаться нетипичным, противоречит общему направлению революции Коперника. В большинстве отношений Землю можно рассматривать как самую обычную типичную планету из огромного числа подобных тел, обращающихся вокруг других звёзд типа Солнца, в галактиках, похожих на нашу. Однако местонахождение человека во Вселенной как биологического вида в некотором смысле нетипично, т. к. мы живём на твёрдой поверхности, тогда как вещество во Вселенной находиться в форме разреженных газовых облаков или горячих плазменных шаров, и тот факт, что мы находимся вблизи устойчивой звезды, хотя многие звёзды нестабильны или входят в кратные схемы, не подходящие для планет, не является случайным стечением обстоятельств. Вряд ли нам удалось бы выжить во враждебном окружении наиболее типичной формы космического вещества. И сама продолжительность существования цивилизации ограничена, поскольку Вселенная эволюционизирует и в ходе её эволюции из горячего плотного состояния к скоплению израсходовавших ядерное топливо разреженных галактик, лишь относительно короткий интервал времени, подходящий для жизни. Конечно, аргументации Дикке по ряду причин могут быть ошибочными. Прежде всего, ин исходит из известной нам формы жизни. Не исключены, хотя и необязательны другие формы жизни. С другой стороны, не исключено, что жизнь любого вида не может развиваться до уровня разумной, пока не завершатся определённые физические процессы. Жизнь характеризуется высокой степенью сложности и упорядочности, для достижения которых необходимы определённые условия. Вероятно, самым слабым местом в этой теории является оценка верхнего предела tnow. Даже если галактика, в конце концов, когда её звёзды угаснут, станет неподходящей для жизни, можно надеяться, что за отпущенные ей миллиарды лет технологическая цивилизация добьётся успеха в преодолении этой трудности. Важная роль углерода для земной формы жизни побудила Ф.Хойла обратить внимание на любопытную случайность - тепловая энергия ядер в типичной звезде лежит почти точно в области резонанса 12С, что обеспечивает эффективный синтез углерода в недрах звёзд, иначе скорость образования углерода была бы значительно меньше. Очень важно, чтобы синтезированное ядро углерода уцелело. И ещё одна счастливая случайность 12С не может полностью сгореть с образованием кислорода, т. к. резонансная энергия в ядрах 16О гораздо ниже тепловой энергии. Не будь этой случайности жизнь земного типа была бы маловероятна. Хойл считает, что совпадение в синтезе углерод - кислород столь удивительно, что кажется "нарочно придуманным". "Здравая интепритация фактов даёт возможность предположить, что в физике, а также химии и биологии экспериментировал "сверхинтеллект", и что в природе нет слепых сил, заслуживающих внимания". 5.2. Слабый и сильный антропный принцип. Антропный принцип познания Вселенной предполагает два варианта - слабый и сильный. Картер сформулировал слабый антропный принцип следующим образом: "То, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя". Короче говоря, самим своим существованием наблюдатель ограничивает предмет наблюдения. Для многих удивительных совпадений, которые нельзя объяснить с помощью слабого антропного принципа, принята альтернативная схема рассуждения - сильный антропный принцип: "Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель". Отсюда ясно, что сильный антропный принцип в своей основе совершенно отличен от слабого принципа. Он представляет собой отход от традиционной общей концепции научного объяснения. По существу он утверждает, что вселенная приспособлена для существования жизни и, что как законы физики, так и начальные условия подстраиваются таким образом, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни. В этом отношении сильный антропный принцип сродни традиционному религиозному объяснению мира: Бог сотворил мир, чтобы люди населяли его. Поддержку сильному антропному принципу можно найти в позитивизме - направлении философии, которому свойственны черты феноменализма и субъективного идеализма. В рамках этого учения Вселенная, в которой нет места для наблюдателя, бессмысленна; реальна лишь та Вселенная, которая познаваема. Такая Вселенная обязана обладать свойствами, необходимыми для возникновения разума, какими бы неправдоподобными они не были. Со строго физической точки зрения представляется, по меньшей мере, необъяснимым, что существование разумных веществ может привести к знаменитым совпадениям. Несомненно, что любая причинная связь здесь невозможна. Сложившиеся физические условия могли бы привести к появлению человека, но вряд ли можно приписать человеку возможность формулировать требования, обязательные для окружающей среды. Но есть одна область физики, в которой наблюдатель действительно играет центральную роль - это квантовая теория. И хотя нельзя сказать, что наблюдатель в квантовой механике создаёт свою собственную Вселенную в общепринятом смысле слова "создать", анализ измерений квантовой теории открывает реальный путь, представляющий правдоподобное физическое (в противоположность философскому) свидетельство в пользу сильного антропного принципа. 5.3. Теория множественности. Вселенная - это всё, что существует. Если нечем измерить состояние Вселенной, то, как может Вселенная совершить переход от суперпозиции многих возможных миров к одному, конкретному, фактическому миру? Этот парадокс на протяжении десятилетий волновал специалистов по квантовой теории. Только одно исчерпывающее решение было предложено за это время. Основная его идея - в признании одновременного существования всех мыслимых Вселенных. Её предложил Х. Эверетт в 1957 году. Эта, исходящая из концепции множественности вселенных интерпретация квантовой теории создаёт естественную основу для сильного антропного принципа. Сущность квантового парадокса измерения составляет внезапное затухание волны. При обычной интерпретации квантовой теории не делается ни каких попыток рассмотреть космологические вопросы. Интерпретация Эверетта состоит в том, что при измерении Вселенная как бы делится на две: одна из них содержит электрон, движущийся вправо, а другой - электрон, движущийся влево. Каждый мир одинаково реален. Оба мира существуют, но, по крайней мере, на макроскопическом уровне, не взаимодействуют друг с другом. Мыслящий наблюдатель также расщепляется на две копии, и в каждом мире обитает одна из них. Тогда каждый атом в каждой галактике непрерывно участвует в такого рода столкновениях с последующим рассеянием, а значит, мир то и дело расщепляется на громадное число сходных копий его самого. Этот "квантово-рожденный" ансамбль миров содержит все возможные начальные структуры вещества, энергии, движения. Согласно теории Эверета наблюдаемая Вселенная - это лишь один пример из бесконечного многообразия реально существующих вселенных. Только те вселенные, в которых удовлетворены численные соотношения, являются познавательными, т. к. только в них может зародиться жизнь. Не удивительно, в таком случае, что мы познаём Вселенную со столь многочисленными особыми условиями, ибо мы выбрали из её ансамбля миров самим фактом своего существования, так же как выбрали поверхность планеты среди огромного множества безжизненных областей Вселенной теперь нужно рассматривать не как удивительные, а как неизбежные. Другой учёный - Уилер, создал концепцию последовательного ансамбля осциллирующей Вселенной. Такая Вселенная расширяется из исходного сингулярного состояния до максимального объёма, а затем коллапсирует вновь в сингулярное состояние. В такой сингулярности совершенно неприемлемы известные нам законы физики. Уилер предполагает, что некоторый тип вселенной проходит через стадию сингулярности и появляется вновь после, своего рода вторичной, "переработки" с новыми значениями фундаментальных постоянных, новой структурой движения и, вероятно, новыми законами физики. Таким образом, сколлаптировшая Вселенная возрождается в новом цикле расширения и сжатия, чтобы за ним последовал следующий и т. д. В каждом цикле структура Вселенной будет иной. Если циклы воспроизводятся произвольным образом, то чисто случайно, в конце концов, Вселенная приобретёт нужную структуру и числовые совпадения, и появятся различные наблюдаемые числовые зависимости, а, следовательно, и жизнь. Концепцию ансамбля миров можно критиковать по ряду причин, как философских, так и физических. Возможно, что в будущем будут найдены объяснения некоторых из рассмотренных числовых совпадений в рамках теоретической физики, а не биологии. Возможно благодаря будущим успехам фундаментальной физики в объяснении кажущейся случайности строения вселенной, антропный принцип утратит всякое значение для объяснения мира. Не менее замечательно, если законы фундаментальной физики благоприятствуют жизни. Независимо от того, могут ли законы природы привести к совпадениям больших чисел или нет, тот факт, что эти совпадения необходимы для существования человека, одно из самых замечательных открытий современной науки. ВЫВОДЫ 1. В наблюдаемой Вселенной существует иерархия структурных единиц, от мельчайших известных элементарных частиц, из которых состоят атомы, до крупномасштабного распределения галактик, мы наблюдаем системы с характерным строением и размерами, а каждая иерархическая ступень связана с другой ступенью вполне закономерным образом. 2. Специфические свойства отдельных систем зависят от законов движения и различных начальных и граничных условий. Такие параметры как масса, время жизни и т. д. определяются исключительно фундаментальными постоянными. 3. Структура многих систем, наблюдаемых в природе определяется относительно малым числом универсальных постоянных. Если бы эти постоянные имели другие численные значения, чем наблюдаемые, то структура системы была бы иной. 4. Вселенная всё время расширяется, темп расширения всё время уменьшается, потому что Вселенная охлаждается, и концентрация частиц падает. 5. Свойства окружающего нас мира сильно зависят от случайной согласованности постоянных в отдалённых разделах физики. Многие наблюдаемые во Вселенной системы являются следствием чрезвычайно малых совпадений. В космологии мы сталкиваемся ещё и с согласованностью такого же удивительного характера в космических масштабах. 6. Теории Великого объединения (Стивен Вайнберг, Абдус Салан) значительно упростили и упорядочили понимание отдельных закономерностей, объединив взаимодействие природы в единой математической теории, однако единственная попытка объяснить кажущуюся таинственной структуру физического мира основывается не на фундаментальной физике, а на биологии, на существовании разумной жизни на Земле. ЛИТЕРАТУРА 1. Девис П. Случайная вселенная. - М., 1985. 23 2 Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками, графиками, приложениями и т.д., достаточно просто её СКАЧАТЬ.  |
|
Банк готовых работ
Форма заказа
Скачать работу
экономические  Copyright © refbank.ru 2005-2024
Все права на представленные на сайте материалы принадлежат refbank.ru. Перепечатка, копирование материалов без разрешения администрации сайта запрещено. |
|