Причины мироздания
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Многие из нас задавались в детстве вопросом, что было бы с нами, если бы наши родители никогда не встретились. Об этом время от времени спрашивают себя и многие взрослые, не утратившие детской непосредственности. Сообразительные делают вывод: у каждого из их родителей были бы другие дети. Да, но это не ответ на вопрос, что было бы с нами. В конце концов, даже ребенок догадывается: его бы вообще не было. Но что это значит? Можно ли это себе представить? «Антропные вопросы», «антропный подход» — эти выражения все чаще и чаще можно услышать на симпозиумах по космологии. Сегодня все чаще и чаще ученые собираются и обсуждают вопросы, многие из которых начинаются со слов «что было бы, если бы определенные физические условия в нашей Вселенной «не встретились» и жизнь бы в ней не возникла?». Ответы почти непредставимы, и эти вопросы можно было бы назвать детскими. Но ученые называют их антропными: от греческого «antropos» — человек. Человек, повторяют они слова Протагора,— мера всех вещей, и еще неизвестно, человек ли обязан своим существованием Вселенной или Вселенная — человеку.
Уже давно замечено, что мир и ум удивительно соответствуют друг другу. Первым это осознал Кант, утверждавший, что мы обладаем априорными, то есть доопытными, врожденными формами пространства и времени, которые и организуют весь материал чувственного опыта. «Много ли знаний понадобилось нам, чтобы решить задачу из трехмерной геометрии? — вторит Канту английский кибернетик Уильям Р. Эшби.— Гораздо меньше, чем той информации, которой мы воспользовались, бессознательно, имея приобретенный с детства опыт обращения с трехмерными предметами, а также — и это важнее всего — имея за плечами миллиарды лет эволюции, протекавшей в трехмерном мире».
Особенности этого мира не могли не отразиться на структуре нашего мозга. Целые группы специализированных нервных клеток развились в мозгу, и каждая нацелена на восприятие одного из элементов трехмерной геометрии. Одни нейроны реагируют только на вертикали, другие — только на горизонтали, третьи — на острые углы, четвертые — на тупые. Понятия геометрии заключены не столько в самих предметах, сколько в тех системах мозга, где подвергается анализу и синтезу зрительная информация. С первого же мига жизни формы мира нам не в диковинку, мы готовы к ним и ничего иного не ожидаем. Эту готовность восприятия трехмерного мира и врожденное знание о нем французский философ Анри Бергсон считал самой древней формой памяти, определившей собою все развитие нашего ума. Именно в геометрии, говорил он, «открывается родство логической мысли с неодушевленной материей, и уму остается там лишь следовать своему естественному движению». Под неодушевленной материей Бергсон подразумевал то, что мы зовем сегодня космическим пространством.
О степени этого родства рассказывает в своей последней книге «Разумная Вселенная» английский астрофизик и писатель-фантаст сэр Фред Хойл (читатели помнят его роман «Черное облако»). Лет десять назад Хойл и Чандра Викрамасингхе, английский астрофизик и поэт, уроженец Цейлона, выдвинули гипотезу, вызвавшую в научных кругах немалый переполох. Они отождествили частицы межзвездного газа с микроорганизмами, из чего следовало, что весь космос — живой, одушевлен. Получилось это у них так убедительно, что устремившимся навстречу комете Галлея автоматическим станциям было «поручено» поискать на ней какую-нибудь живность. Найдено ничего не было. В комментариях академика Р. Сагдеева, руководившего поисками, слышались нотки разочарования. Не пал духом один Хойл. «Найдут в следующий раз, когда подлетят поближе»,— сказал он. До следующего раза осталось 70 лет.
Космос представляется Хойлу универсальной кладовой информации, а жизнь — главным свойством Вселенной. В «разумной Вселенной» информация может передаваться из будущего в прошлое. В самом деле, почему невозможны скрытые причинно-следственные связи, направленные «в обратную сторону»? Эти связи могут опираться на симметрию фундаментальных физических законов по отношению к оси времени. Склонный к «детским» вопросам Хойл предлагает нам проделать мысленный эксперимент. Вы попадаете в прошлое и желаете расстроить брак своих родителей. Что бы вы ни делали, вы, сами того не подозревая, будете способствовать этому браку. Раз вы существуете — значит, брак состоялся. Вот вам и обратная причинно-следственная связь!
«Раз вы существуете»! В этом вся суть антропных парадоксов, столь популярных сегодня в ученом мире. «Я существую, значит, мир таков, каков он есть», — горделиво восклицает, перефразируя Декарта, соотечественник Хойла, физик и математик Картер. Свое знаменитое «мыслю, следовательно, существую» Декарт произнес после того, как перебрал все доказательства в пользу существования мира и самого себя. Его собственная мысль оказалась единственным фактом, существование которого не вызывало у него сомнений. Изречение Декарта звучит логично и обнадеживающе. Каждый понимает, каково основное назначение человека. Изречение Картера звучит нелепо, тавтологично.
Картер, однако, настаивает, что если из его изречения вычесть всю тавтологию, в нем кое-что еще останется. И его коллеги согласны с ним. Отчего Вселенная обладает такими свойствами, какие мы в ней наблюдаем? Обычно на такой вопрос отвечают, что у физического вакуума, из которого она когда-то вылупилась, были такие же свойства. «Удовлетворяет ли вас этот ответ, построенный по образцам житейской логики? — спрашивает Картер.— Конечно, нет. Отвечать надо так: оттого, что мы эти свойства наблюдаем». Он формулирует главный свой антропный принцип: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе допускалось существование наблюдателей». Другими словами, раз мы существуем, иной она и быть не может.
Статья Картера, где все это провозглашено, вот уже пятнадцать лет побивает все рекорды цитирования. «А знаете почему? — объясняет ее успех сам автор.— Антропный подход к анализу структуры Вселенной и нашего в ней места — здоровая реакция на чрезмерное увлечение «принципом Коперника», запрещающим человеку ставить себя в привилегированное положение. Коперник низвел Землю в ранг одной из бесчисленных планет. Справедливо ли это? И в Солнечной системе, и в Галактике мы, безусловно, избранные. Не удивлюсь, если и во Вселенной мы занимаем вполне приличное местечко». Насчет местечка во Вселенной данные пока противоречивые. Зато ее свойствами космологи не нахвалятся. Средняя плотность вещества в ней близка к критической. А это как раз то, что нужно для зарождения жизни.
Будь плотность чуть поменьше, тяготение не оказывало бы никакого воздействия на вещество и в нем не возникло бы ни галактик, ни звезд, ни планет. Расширялось бы одно пустое пространство. Жуткая картина! Но и противоположное зрелище не из веселых. С плотностью заметно выше критической Вселенная не успела бы толком расшириться, как тут же начала бы сжиматься. На Земле дело не дошло бы даже до ланцетника. Скорость, с которой в нашей расширяющейся Вселенной разбегаются галактики, тоже подходящая — не очень большая и не очень маленькая. В самый раз, чтобы пространство не оказалось пустым. Между прочим, трехмерность пространства — не случайность, а необходимейшее условие нашего существования. Правда, физики и математики оперируют любыми, даже бесконечными пространствами. Но они существуют пока только в расчетах. Возможно, когда-нибудь их и обнаружат в реальном мире, но крайне сомнительно, чтобы там возникла жизнь: в одномерном или двухмерном пространстве не сформируется ни одна молекула, а в более чем трехмерном все было бы страшно неустойчиво. Планеты там падали бы на свои солнца или разлетались кто куда, а атмосфера просто не успевала бы сложиться.
А мировые постоянные, характеризующие четыре основных физических взаимодействия во Вселенной — электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое! Да если бы хоть одна из них стала вдруг меняться, рухнул бы весь мир. Представим себе, например, что константа сильного взаимодействия, управляющая некоторыми ядерными силами, оказалась бы чуть-чуть больше, чем сейчас. Тогда бы весь космос наполнился инертным газом гелием, и жизнь в нем не возникла бы никогда.
Наше привилегированное положение в Солнечной системе сомнений не вызывает. На Луне жизни нет и быть не может. На Венере и Меркурии тоже. Про Марс думали, что какие-нибудь организмы там существуют. Не оказалось. Про далекие планеты, вроде Юпитера или Урана, и говорить не приходится. Зато на Земле сложился редчайший набор условий для развития жизни. И оптимальное расстояние до Солнца, и химический состав первичной атмосферы, и тьма воды, и подходящая сила тяжести — все как будто специально подбиралось для того, чтобы родилась на Земле жизнь и за четыре миллиарда лет достигла довольно сложных форм. И чем все это так не понравилось Копернику?
В Солнечной системе мы — избранные. А в Галактике, в нашем родном Млечном Пути? Галактика наша вращается, и все звезды обращаются вокруг ее центра. Все мы знаем, как выглядят галактики издалека: они закручиваются в спирали. Закручиваться их заставляют так называемые волны плоскости. Угловая скорость этих волн во всей Галактике одинакова. Это значит, что на некотором расстоянии от центра Галактики она совпадает с угловой скоростью обращения звездных систем. Звезды и волны движутся там синхронно и согласованно, образуя гигантский круг, именуемый коротационным (от английского corotation — совместное вращение). Читатель уже догадывается, что Солнечная система расположена как раз в тихой заводи коротации, куда никогда не заглядывают страшные ударные волны, рождающиеся и царящие по краям Галактики — в огромных спиральных рукавах. Мы в привилегированном положении едва ли не на всех уровнях.
Но как же все-таки появилось такое уникальное сочетание благоприятных для жизни обстоятельств, такая удивительная Вселенная? Кое-кто из физиков предположил было, что в бесконечном мире существует бесконечное множество вселенных. Среди них есть «познаваемое подмножество» — наша Вселенная. Но большинство решило, что эта гипотеза противоречит священному завету Уильяма Оккама, английского философа XIII века, который учил, что мудрец, объясняя что-нибудь, не должен выдвигать аргументы, которые сами нуждаются в объяснении. Их надо отсекать беспощадно, как бритвой (с тех пор в науке и бытует выражение «бритва Оккама»). Откуда, в самом деле, взялось это множество вселенных? Разобраться бы с одной!
Что касается одной, то она, очевидно, проходила бесчисленное количество раз сквозь игольное ушко Больших взрывов — циклов расширения и сжатия. Во время циклов структура законов природы все время перестраивалась, как рисунок в калейдоскопе, пока в один прекрасный взрыв, когда сочетание мировых констант стало благоприятным, во Вселенной не возникла жизнь.
Что же будет с жизнью дальше? О дальнейшей ее судьбе беспокоиться не стоит, считает американский физик Фримен Дайсон. Наилучшей из всех вселенных, говорит он, была бы такая, которая «заставляла бы своих обитателей постоянно преодолевать препятствия и, где выживание было бы возможным, но доставалось бы не слишком легко». У кого хватит смелости утверждать, что наша Вселенная не отвечает этому требованию целиком и полностью? Если она начнет когда-нибудь сжиматься, мы, конечно, рискуем очутиться в огненной бездне, но стоит ли из-за этого огорчаться? Разве сознание собственной тленности уменьшает нашу радость по поводу удачно сложившихся дел? Эта радость, говорит Дайсон, была бы слишком грубой и животной, если бы мы не ощущали иллюзорности вызвавших ее причин. К тому же, вполне возможно, что наша Вселенная собирается расширяться бесконечно. Тогда у нас в перспективе ледяная пустыня.
Это, однако, не грозит гибелью человечеству. Жизнь может постепенно приспособиться к холоду, пульс жизни будет биться все медленнее, но не остановится никогда. В конце концов, жизнь — это упорядоченная форма вещества, а для такого порядка лучше, когда холодно. Если же дело сведется к умеренным пульсациям Вселенной, у жизни не возникнет никаких проблем.
Дайсону возражают. Независимо от того, пульсирует Вселенная или нет, говорят его оппоненты, вещество, из которого она состоит, помаленьку превращается в излучение. За 10 в 33 ступени лет все атомные ядра исчезнут, разлетевшись на электроны, фотоны и другие легкие частицы. Конечно, 10 в 33 ступени лет — срок немалый, но перед лицом вечности он не более чем мгновение. Но Дайсон считает, что и тут положение не безнадежно. Рано или поздно человечество наверняка научится переносить информационное содержание жизни из одной материальной формы в другую. Излучение будет служить носителем жизни не хуже, чем плоть и кровь. Специалисты по теории информации разделяют оптимизм Дайсона. У человечества, говорят они, не будет другого выхода, как научиться всем этим фокусам, так как на его уровне — уровне «максимальной кибернетичности» — сосредоточивается информация о самых главных свойствах Вселенной. Не воспользоваться ею будет просто немыслимо.
На этом же уровне картеровская перефразировка Декарта получает физическое обоснование. Разве не может структура Вселенной, если представить ее себе в виде замкнутой цепи взаимозависимостей (а такая модель напрашивается сама собой),— разве не может она привести, в конце концов, к наблюдателю, говорит американский физик Дж. Уилер. Отцы квантовой механики доказали, что самим актом наблюдения мы вносим свой вклад в физическую реальность. Значит, чтобы Вселенная была «по-настоящему» реальной, она должна эволюционировать таким образом, чтобы мог возникнуть наблюдатель. Наблюдатель так же важен для появления Вселенной, как Вселенная — для появления наблюдателя. И вообще, заключает Уилер, не замешан ли человек в проектировании Вселенной более радикальным образом, чем мы думали до сих пор?
Рассуждения приверженцев антропного подхода (а их становится все больше и больше) опираются на молчаливое допущение, что человек — единственный носитель разума во Вселенной. К сожалению, Млечный Путь с его тихой заводью — всего лишь одна из миллионов галактик, а сама заводь достаточно велика. Кроме того, Картер и его коллеги обходят стороной вопрос «о Главном Проектировщике Вселенной», надеясь, очевидно, обойтись без этой «гипотезы», как обошелся без нее их предшественник Лаплас. Но Лапласу эта «гипотеза» была действительно не нужна, а как обойдутся без нее, создавая новую космологию, те, у кого «принцип Коперника» вызвал «здоровую реакцию», представить себе не менее трудно, чем то, что было бы, если бы Вселенная была другой.
Автор: С. Иванов.