Приветствую вас, дорогие подписчики и единомышленники и представляю очередной выпуск рассылки. Продолжаем говорить об эволюции вселенной.

Мировые константы

У служителей культа оставался в запасе последний аргумент - набор уникальных мировых констант.

Наш мир действительно кое в чем поражает. Он как будто нарочно сделан так, словно природа задалась целью вырастить в нем сложные структуры.

Например. Протон тяжелее электрона в 1836 раз. Почему? Из теории не вытекает, что соотношение масс протона и электрона должно быть именно таким. Но если бы оно было хоть немножко другим, ни молекулы, ни атомы в такой Вселенной существовать бы не могли.

Даже если бы масса электрона была хоть чуть-чуть выше (всего на 0,1% от массы атома водорода), время горения звезд сильно сократилось бы, и эволюция просто не успела бы породить жизнь.

Если бы энергия связи в ядре дейтерия была всего на 0,02% ниже, не смог бы идти синтез ядер в звездах.

Мировая гравитационная константа в законе всемирного тяготения, равна 6,672. Если бы константа была чуть больше, Вселенная давно бы уже схлопнулась обратно в сингулярность. И физики не видят причин, по которым гравитационная константа именно такова.

То же самое касается значений зарядов частиц, скорости света, сил ядерных взаимодействий. Известны десятки констант и соотношений между ними. Причем все они критически важны для существования нашего мира. И все они не вытекают ни из каких теорий. Словно кто-то подбирал такие значения мировых констант, чтобы в нашем мире появились условия для создания жизни. Богословов данное обстоятельство чрезвычайно радует, и они с торжествующе говорят о провидении божьем.

Этот парадокс получил название антропного принципа. Который получил естественное объяснение.

Если вакуум кипит флуктуациями, одна из которых разрослась даже до уровня нашей Вселенной, то почему, собственно, Вселенная должна быть только одна? Это выглядит даже странно. Вселенных должны быть мириады.

Пузыри вселенных появляются, раздуваются и схлопываются. В каждой из бесконечного множества вселенных свой набор физических констант. Просто в тех вселенных, где физические постоянные иные, невозможно зарождение сложных структур.

Другими словами, из бесконечного числа вселенных есть процент тех, в которых может появиться жизнь. Вот так еще раз проявился закон эволюции - природа играет вслепую. Из триллиона попыток создания вселенных - одна удачная. Каждая миллиардная частичка в новорожденной Вселенной выживает. У мальков осетра выживает один из тысячи. У львят выживает больше половины. На пути эволюции природа умнеет.

Любопытную теорию выдвинул профессор Пенсильванского университета Ли Смолин. Он применил принцип биологической эволюции к вселенным. Люди всегда с удивлением смотрели на то, что все животные удивительным образом приспособлены для жизни в своих природных условиях. "Кто же это все так разумно устроил? Не иначе, бог!" - полагали они.

Дарвин показал, как получается разумное устройство без всякого бога. В его время гены и мутации еще не были открыты, поэтому он не мог сказать, отчего происходят изменения в организмах. Но он точно предугадал, что случайные изменения у животных должны происходить от поколения к поколению. И среди родившихся выживает и дает потомство наиболее приспособленный.

Этот же принцип предложил применить Смолин по отношению к вселенным. И у них, по Смолину, идет отбор. Потому что они: 1) размножаются, 2) у размножившихся "выживают" и дают потомство только те, в которых потомки не очень отличаются от предков.

Смолин предположил, что Вселенные размножаются при помощи черных дыр. Черная дыра - это угасшая массивная звезда, в которой начался гравитационный коллапс. По мере выработки горючего газовый шар звезды перестает распирать изнутри излучением, и вещество начинает сжиматься под действием гравитации.

У некоторых звезд гравитационное сжатие доходит до так называемой нейтронной стадии - звезда превращается в небольшой объект диаметром в несколько десятков километров, состоящий из одних нейтронов. Мощная гравитация загоняет в такой звезде электроны внутрь протонов, получаются электронейтральные нейтроны. Сами нейтроны нестабильны (время жизни свободного нейтрона 16 минут), но в тесных условиях звезды они просто не могут распасться. Тело нейтронной звезды имеет плотность ядерного вещества и представляет собой как бы одно гигантское атомное ядро. Булавочная головка такого вещества весит миллионы тонн. В нейтронной звезде силы гравитации уравновешиваются силами взаимодействия между нейтронами.

Если же масса звезды еще больше, ее сжатие не может остановить уже ничто. Звезда коллапсирует - схлопывается в точку. В какой-то момент коллапса гравитация становится такой сильной, что даже свет не может вырваться из звезды. На такую звезду все может падать, но ничто не может излучиться. Поэтому и воспринимается она внешним наблюдателем, как черная дыра в пространстве. Критический радиус, после сжатия за который уже ничто не может вырваться из плена такой звезды, и после которого она, собственно, и превращается в черную дыру, называется горизонтом событий.

Так называют границу, из-за которой до нас не может долететь электромагнитное излучение (свет). А поскольку электромагнитное излучение - самое быстрое в мире, получается, что никакую информацию из-за горизонта событий мы получить не можем. Ведь информация - это определенным образом организованная материя. Например, радиоволна. И если даже излучение не "добивается" до нас из-за горизонта событий, значит, никакая информация оттуда не могут быть получена - нечем доставить.

Для внешнего наблюдателя сжатие звезды по мере приближения к горизонту событий будет все замедляться и замедляться, но с точки зрения самой звезды коллапс происходит почти мгновенно. Эффект теории относительности - тяготение замедляет течение времени.

Звезда схлопывается в точку. Такая точка называется сингулярность.

Черные дыры - зародыши новых вселенных - предположил Смолин. Уйдя от нас за горизонт событий, они сжимаются в сингулярность, которая взрывается в иную вселенную "в другом пространстве". Точнее, не в другом, а в своем собственном. Новая вселенная сама создает себе и время, и пространство. Совершенно не мешая нашей Вселенной. Да и как она может помешать из-за горизонта событий?

Набор физических констант в новорожденной вселенной может быть любым. Но если он таков, что в этой вселенной не образуются даже атомы, звезды в такой вселенной не зажгутся и, соответственно, не будет черных дыр. И значит, такая вселенная окажется бесплодной. Род вселенных она не продолжит. А вселенные с подходящим набором "цифр" размножатся потом через черные дыры. Так растет число "правильных" вселенных, в которых горят звезды, а значит - из них получаются черные дыры и попутно возникает жизнь вокруг звезд на планетах.

Роль биологических мутаций во вселенных играет изменение физических констант. Вот такой вселенский отбор.

В общем, все красиво в теории множественных вселенных, однако есть в ней одно "но".

Это "но" ясно выразил один из астрономов: "Гипотеза о множественности Вселенных довольно умозрительна. С таким же успехом можно было поручить сотворение мира господу богу! В обоих случаях, пытаясь разгадать тайну мироздания, мы просто достаем из-под полы козырь, который не имеет ничего общего с серьезной наукой". Т.е. наука в данном случае нагородила гипотезу принципиально непроверяемую. До сих пор главным аргументом науки против церкви был следующий: гипотеза бога принципиально непроверяема, недоказуема. И церковники с ними соглашались: да, недоказуема, ее надо принимать на веру, хочешь - принимаешь, не хочешь - нет.

И вот теперь непроверяемую гипотезу выдвинули сами физики и астрономы. Поскольку все иные вселенные лежат для нас за горизонтом событий, мы не только не можем узнать, что в них происходит, но и не можем даже проверить, существуют ли они. Ведь все эти вселенные лежат вне нашего времени и пространства, ибо время, пространство и движущаяся в них материя и есть Вселенная. А другие вселенные отделены от нас бездной несуществования.

Впрочем, у науки и на это есть свой ответ. Его подсказал математик Гедель: если доказательство некоего положения в рамках существующей теории невозможно, значит, нужно выйти за рамки теории. Будем ждать появления более общих физических моделей.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределенности открыл немецкий физик Вернер Гейзенерг в 1927 году.

Формула Гейзенберга говорит, что невозможно одновременно знать точную координату частицы и ее скорость (импульс, то есть произведение скорости на массу).

Дело в том, что для предсказания будущего положения и скорости частицы мы должны иметь возможность точно измерить ее начальное состояние, то есть ее текущие положение и скорость. Для этого следует подвергнуть частицу воздействию света. Некоторые из световых волн будут рассеяны частицей и укажут наблюдателю ее положение. Однако использование световых волн накладывает ограничения на точность, с которой определяется положение частицы. Точность эта определяется расстоянием между гребнями волны, т.е. ее длиной.

Таким образом, желая как можно точнее измерить положение частицы, вы должны использовать световые волны короткой длины, а значит, высокой частоты. Однако, в соответствии с квантовой гипотезой Планка, вам придется задействовать по меньшей мере один квант, энергия которого с увеличением частоты становится больше. Поэтому чем точнее вы стремитесь измерить положение частицы, тем выше должна быть энергия кванта света, который вы в нее направляете.

Согласно квантовой теории, даже один квант света нарушит движение частицы, непредсказуемым образом изменив ее скорость. И чем выше энергия кванта, тем больше возмущения. Стараясь повысить точность измерения положения, вы воспользуетесь квантом более высокой энергии, и скорость частицы претерпит значительные изменения. Чем точнее вы пытаетесь измерить положение частицы, тем менее точно вы можете измерить ее скорость, и наоборот. Уменьшив, например, вдвое неопределенность положения частицы, вы удвоите неопределенность ее скорости, и наоборот.

Предел, установленный принципом неопределенности, не зависит ни от способа, которым измеряются положение или скорость, ни от типа частицы.

Вывод: в микромире нет траекторий, по которым движутся частицы. Потому что частицы "размазаны" в пространстве. Формула, описывающая это размазанное поведение частицы, называется волновой функцией, и она показывает, с какой вероятностью мы можем обнаружить частицу в данном конкретном месте.

Здесь важно понять, что у нас нет точной информации о частице не потому, что мы еще не изучили чего-то, а потому, что этой информации нет в самой структуре материи. Частица "сама не знает", где она и что с ней. В микромире нельзя ничего предсказать заранее, можно лишь вычислить вероятность наступления того или иного события.

Мир состоит из непредсказуемых частиц. И поэтому мир непредсказуем. Случайностен.

Но если мир случаен в своей основе, почему тогда существуют физические законы? Почему они выполняются не от случая к случаю, а всегда? Где же непредсказуемость? Она в микромире.

В макромире поведение массивных тел, состоящих из триллионов частиц, в простых случаях взаимодействия вполне предсказуемо. Потому что в микромире вероятность наступления разных событий разная. Волновая функция говорит: вероятность обнаружить частицу ТУТ, а не ТАМ составляет, скажем, 90%. Или, что то же самое, 90% всех частиц будут находиться ТУТ, а не ТАМ. Это значит, что процесс с огромным числом частиц пойдет именно в том направлении, в каком движется большинство из них. Именно неравномерность распределения вероятности создает направленные (или необратимые) процессы. Необратимые процессы создают иллюзию стрелы физического времени, которое, как известно, необратимо. Но необратимо не само время, ("отдельно" времени не существует), необратимы проходящие в пространстве физические процессы.

Тем не менее, все равно существует отличная от нуля вероятность, что чайник, поставленный на плиту, вместо того, чтобы вскипеть, замерзнет. Однако она столь исчезающе мала, что практически можно сказать: Второе начало термодинамики НИКОГДА не нарушается - тепло ВСЕГДА передается от более нагретых тел к менее нагретым. Хотя теоретически, конечно, все физические законы носят статистический характер. То есть вдруг могут и не исполниться на секундочку.

Физические законы - это идеальные модели, которые работают идеально только в идеальных условиях. В случаях реальных, сложных, многофакторных взаимодействий многих тел, полей и явлений предсказать что-либо бывает весьма затруднительно. Кто-нибудь с точностью до 100% предсказывал погоду или цены на нефть?

Мир не фатален. Сложные системы, то есть те, которые описываются не простыми формулами физических законов, какие мы проходили в школе, а нелинейными дифференциальными уравнениями, ведут себя как трудно- или вовсе непредсказуемые. Почему? Ведь вероятность поведения частиц в микромире распределена неравномерно - что-то более вероятно, что-то менее, а значит, большинство частиц ведут себя ТАК, а не ИНАЧЕ. Это и позволяет работать физическим законам.

А потому сложные системы труднопредсказуемы, что в некоторых из них при определенных обстоятельствах малое воздействие может привести к большим результатам. Если система находится в неустойчивом равновесии, как карандаш, стоящий на острие, любой случайный толчок в ту или другую сторону уведет систему из состояния равновесия, и ситуация начнет развиваться либо в одну сторону, либо в другую. Если вы направляете бильярдный шар на остроугольный предмет, то в зависимости от случайных крохотных изменений его траектории, шар может после удара покатиться либо влево, либо вправо. Микроизменение может кардинально поменять судьбу макрообъекта. А микроизменение - это изменение на уровне микромира, то есть отдельных непредсказуемых частиц.

Сложные системы живут по законам странных аттракторов. Аттрактор - это колебательная математическая функция. Странный аттрактор - это колебательная функция с необычным поведением. Развиваясь, аттрактор выходит на какой-то устойчивый режим и начинает колебаться вокруг точки равновесия. А потом вдруг, в какой-то момент по непонятной причине резко срывается, улетает и начинает колебаться уже вокруг другой точки равновесия. Точки улета назвали точками бифуркации. Это такие точки, малое случайное воздействие в которых может выбросить систему очень далеко. Странное поведение. Потому такие функции математики и назвали странными аттракторами.

Типичные сложные системы, живущие, как странный аттрактор - человеческий организм, биоценоз, социальная система. Вдруг появляется Наполеон, и страна начинает развиваться в ином направлении. Вдруг какая-то случайность, нервный срыв выводит ослабленный организм из точки равновесия, и он скатывается в другую "лунку" - человек заболевает раком. Но наполеоны и нервные срывы опасны только тогда, когда системы находятся в точке бифуркации, то есть колеблются в состоянии неустойчивого равновесия, ожидая малейшего толчка. Для систем устойчивых никакие нервные срывы и гитлеры нестрашны, их не так-то просто выбить из потенциальной ямы. Вот и ответ на вопрос, может ли личность изменить историю? Может, если будет действовать в точке бифуркации, когда страна на перепутье.

Второе начало термодинамики

Как в мире может существовать эволюция, если в нем действует Второе начало термодинамики? Которое увеличивает энтропию, разрушает все сущее, низводя его до хаотического теплового мельтешения. Не зря Клаузиус говорил о тепловой смерти Вселенной.

Уж не божий ли здесь промысел? Никакого промысла. Второе начало термодинамики звучит так: "Энтропия в закрытых системах не убывает". Закон действует только для закрытых систем, то есть систем, которые не обмениваются энергией с окружающей средой. Но в мире не существует закрытых систем, они есть только в головах у физиков. Так же, как идеальный газ. Практически все системы в нашем мире являются открытыми.

Процессы усложнения идут в открытых системах, которые обладают достаточным разнообразием и в которых Второе начало не имеет решающей роли. Если в разнообразную систему закачивать энергию, то под действием этой энергии в системе неизбежно начнутся процессы самоорганизации материи. Впервые на это обратил внимание в середине 20 века бельгийский физик Илья Пригожин, который занимался неравновесной термодинамикой. Он и положил начало новой науке о процессах организации материи, идущих в открытых системах. Позже ее назвали синергетикой.

По сути, синергетика - наука об эволюции. Наука об усложнении материальных структур в открытых системах. И наука, которая окончательно захлопнула в эту Вселенную дверь для бога.

Второе начало давно не давало покоя философам. Оно выступало противоречием тому усложнению, которое мы наблюдаем вокруг себя. На каком основании? Ведь Второе начало требует только разрушения, дезорганизации. Пригожин объяснил, на каком. Он экспериментировал с достаточно простыми физическими системами и даже в довольно простых системах обнаруживал, что приток энергии меняет структуру системы. В ней начинают образовываться стабильные вихри, течения, которые "едят" поступающую энергию.

Но, несмотря на усложнение структур и кажущееся нарушение Второго начала, в целом Второе начало термодинамики, конечно же, не нарушается. Если принять солнечную систему за систему закрытую, то есть пренебречь звездным излучением, как фактором несущественным, то мы увидим, что общая энтропия солнечной системы растет. Процессы созидания на Земле оплачиваются разрушением Солнца. Солнце - практически единственный наш источник энергии.

Созидание всегда оплачивается разрушением - это фундаментальное следствие Второго начала термодинамики. Лев пожирает лань, строя свое тело на деструкции чужого тела. Человечество разрушает биоценозы, завоевывая себе жизненное пространство. Гусеница пожирает листок. А все вместе мы пожираем наше Солнце. Всего одна двухмиллиардная часть его энергии попадает на Землю, и этого хватает на все здешние процессы.

Кстати, по поводу усложнения структур, т.е. об эволюции.

В 1920 годах русский биохимик Александр Опарин выдвинул теорию, что жизнь на Земле возникла в первобытном бульоне - морской воде, в которой плавает масса органических молекул. В присутствии метана (тогда считалось, что атмосфера молодой Земли состояла из метана), под воздействием постоянных грозовых разрядов органические молекулы вступали в реакции, образуя все более и более сложные молекулы, потом белки. Что и привело в конце концов к образованию жизни.

В середине 20 века Стенли Миллер решил проверить эту гипотезу экспериментально, хотя бы на первом этапе. Он смешал в колбе метан, водород, аммиак, воду, стал подогревать и пропускать через смесь электрические разряды. Уже через несколько часов (!) в колбе образовались аминокислоты. А аминокислоты - кирпичики жизни. Из них состоят белки.

Потом выяснилось, что первичная атмосфера нашей планеты вовсе не состояла из метана. Восторг вокруг опытов Миллера несколько поутих. Тем не менее. Да, состав, взятый Миллером, не соответствовал реально существовавшему в то время на Земле. Но даже в неправильной атмосфере у Миллера все получилось.

В общем, хотя опыт Миллера и не соответствовал раннеземным условиям, он является классическим экспериментом, подтверждающим эволюцию, то есть усложнение структур в разнообразной среде при насыщении системы энергией.

На сегодня все. До новых встреч. В следующем выпуске продолжим беседу об эволюции.

Все материалы рассылки вы можете найти на сайте "Я - атеист" по адресу http://ateist.far.ru.