«ТРОИЦКИЙ ВАРИАНТ» №18, 2021 • КОСМОЛОГИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ • КОММЕНТИРОВАТЬ  

Павел Амнуэль
«Троицкий вариант — Наука» № 18(337), 07 сентября 2021 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Павел Амнуэль

Ответьте, пожалуйста, на простой вопрос: почему мир вокруг нас и мы сами такие, какие есть? Почему Вселенная такая? Почему скорость света равна именно 300 тыс. км/с, а массы протона и нейтрона очень близки друг к другу?

Для начала: что такое Вселенная? До второго десятилетия XX века понятие «вселенная» было скорее абстрактно-философским, чем конкретно-физическим. «Вселенная — это всё, что существует» — примерно так. Во второй половине XIX века физики были уверены, что поскольку Вселенная — это всё сущее, то, конечно, Вселенная бесконечна в пространстве, существовала всегда и будет существовать вечно.

Пока о Вселенной рассуждали философы, физики открывали законы и закономерности в природе. Рудольф Клаузиус в 1863 году дал формулировку физического принципа, который сейчас называется вторым началом термодинамики: «Сама собой теплота не может переходить от холодного тела к горячему». Людвиг Больцман в 1877 году дал второму началу более общую формулировку: «Изолированная система стремится к наиболее вероятному состоянию. Сами собой протекают только такие процессы, в которых система переходит из менее вероятного состояния к более вероятному».

Вселенная — изолированная система — стремится к наиболее вероятному состоянию: тепловой смерти. Но Вселенная существует вечно, а это значит, что она к нынешнему времени уже давно (вечность назад!) должна была достичь тепловой смерти! Во Вселенной, в принципе, уже и сейчас не может быть никакой жизни, потому что в вечной Вселенной не может быть никакого движения.

Но мы-то существуем! И возникает страшное физическое и философское противоречие: мы есть, но нас быть не может.

Во-первых, можно предположить, что Вселенная «на самом деле» не вечна, а имела когда-то начало. Вселенная стремится к тепловой смерти, но пока ее не достигла, и мы как раз живем в этой, всё еще неравновесной стадии.

Второй вариант: в бесконечной и вечной Вселенной могут самопроизвольно возникать флуктуации. В течение какого-то времени флуктуация будет неравновесной, и там могут существовать звезды, планеты, жизнь, разум, т. е. мы.

Но в любом случае получается, чтобы мы существовали, необходимо особое состояние Вселенной.

Первым такую формулировку предложил английский физик Сэмюэл Толвер Престон. В статье 1879 года в «Журнале философии» он писал: «Исходя из факта нашего существования, мы должны находиться в той части Вселенной, которая подходит для жизни».

Людвиг Больцман в 1890 году фактически повторил соображения Престона о существовании во Вселенной (где тепловая смерть уже настала!) флуктуаций с особыми физическими условиями, допускающими возникновение жизни.

Проблема, однако, заключалась в том, что, рассуждая о Вселенной и ее частях, физики, по словам Больцмана, прибегали к непроверяемому предположению (unbeweisbare Annahme) о невероятном состоянии области пространства, в которой мы живем. «А это очень неприятно», — писал Больцман. Очень уж неправдоподобно мала вероятность именно такой флуктуации, в какой живем мы.

Чтобы разрешить этот парадокс, нужно было хотя бы понять, что на самом деле представляет собой Вселенная, однако никаких физических (а не философских!) сведений об этом не существовало. До 1920-х годов астрономы полагали, что наша Галактика, Млечный Путь, — единственное звездное скопление во Вселенной.

В 1930-х годах произошли два события. Во-первых, было доказано, что галактик во Вселенной огромное количество, и Млечный Путь — лишь рядовая спиральная галактика. Во-вторых, оказалось, что наблюдаемая Вселенная расширяется и, значит, она вовсе не бесконечна ни во времени, ни в пространстве. Иными словами, до тепловой смерти Вселенной еще далеко, и волноваться не о чем.

Но возникла другая интереснейшая проблема. В 1930-х годах уже были хорошо известны величины мировых постоянных, и физики стали этими числами манипулировать. Неожиданно оказалось, что комбинации самых разных мировых постоянных приводят к одному и тому же безразмерному числу порядка 10³⁹.

Мало того: сами мировые постоянные и многие известные физические величины оказались такими, какие необходимы для развития жизни. Причем, не всякой жизни, а именно нашей!

Если бы, например, гравитационная постоянная была меньше, чем на самом деле, то в расширяющейся Вселенной галактики не успели бы образоваться, Вселенная расширялась бы слишком быстро. А если бы гравитационная постоянная была больше, то, опять же, галактики не успели бы образоваться, но уже по противоположной причине: Вселенная очень быстро перестала бы расширяться, началось сжатие, и она «схлопнулась» бы в сингулярность раньше, чем успели возникнуть галактики.

А если бы не было галактик, то не было бы звезд. Не было бы звезд — не было бы и планет, которые образуются вместе со звездами. Не было бы планет... Дальше можно не продолжать. Нас бы точно не было.

Примерно то же самое происходило бы, если бы иное значение было у любой из других мировых постоянных. Вместо одного парадокса физики столкнулись с еще более загадочным. Получалось, что Вселенная обладает уникальными свойствами, будто специально подогнанными так, чтобы возникли мы. Сейчас физики называют это явление «тонкой подгонкой мировых постоянных».

Примерно о том же, но с других позиций говорили Больцман и другие физики в конце XIX века. Вселенная (или — по Больцману — флуктуация во Вселенной) чрезвычайно маловероятна. Ведь диапазон возможных мировых постоянных огромен. Но почему-то они оказались именно такими, какие «нужны» нам, людям.

Значит, нам невероятно, потрясающе, сказочно повезло, что Вселенная — именно такая?

***

Григорий Идлис. Фото с сайта sai.msu.ru

В 1958 году советский астроном Григорий Моисеевич Идлис, работавший в Алма-Атинской обсерватории, опубликовал в «Информационном бюллетене Астрофизического института Академии наук Казахской ССР» статью, которая называлась «Основные черты наблюдаемой астрономической Вселенной как характерные свойства обитаемой космической системы».

В советской космологии того времени слово «Вселенная», которое употребляли западные физики и космологи, было не в чести. Несмотря на то, что теория Большого взрыва была уже общепризнана на Западе, в СССР принято было считать, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени, а то, что мы видим на небе, — лишь ничтожная ее часть, которая называется Метагалактикой. В принципе, это была старая идея Больцмана, но на новом фундаменте.

«Мы, — утверждал Идлис, — можем наблюдать только область Вселенной, обладающей свойствами типичной среды обитания. И мы не имеем права переносить свойства этой «нашей» области на всю Вселенную. Иными словами, Метагалактика уникальна и необходима для появления живых существ, наблюдающих картину мира, простирающегося перед нами».

***

Брэндон Картер. Фото с сайта luth2.obspm.fr

Физик Брэндон Картер родом из Австралии, но образование получил в Оксфорде и долгое время занимался исследованиями в области прикладной математики и теоретической физики. Все известные в то время совпадения физических постоянных Картер разделил на три группы и доложил о своих результатах на Мемориальной Клиффордовской встрече в Принстоне 21 февраля 1970 года.

В первую группу Картер включил совпадения, которые можно было объяснить, не выходя за рамки современной физики и астрофизики. Во вторую группу вошли «такие совпадения, объяснение которых, хотя и простое, требует субъективных и вероятностных соображений, касающихся нашего собственного положения как наблюдателей во Вселенной». Но самой интересной оказалась третья группа: «совпадения, которым нельзя дать прямого физического объяснения... Они являются необходимыми предпосылками для существования наблюдателей (нас самих) во Вселенной».

Именно тогда Картер заговорил об ансамбле вселенных: «Представим, что Вселенная не одна, а существует множество вселенных. Эти вселенные характеризуются всеми возможными комбинациями фундаментальных физических констант. Среди этого множества непременно окажутся вселенные, в которых присутствует наблюдатель (то есть мы)».

Главным аргументом в пользу реального существования не одной вселенной, а огромного их множества стала опубликованная в 1957 году работа Хью Эверетта «Формулировка квантовой механики через соотнесенные состояния». Эверетт утверждал, что реализуются все без исключения возможные результаты физического наблюдения или эксперимента — но каждый результат реализуется в другой вселенной.

Картер утверждал, что философия Эверетта «единственная интерпретация квантовой теории... которая имеет смысл в космологическом контексте, но также подходящий и естественный инструмент для рассмотрения некоторых констант».

Если существует ансамбль вселенных, то исчезают проблемы, о которых физики рассуждали многие десятилетия. В бесконечном ансамбле вселенных наверняка есть вселенные с самыми разными физическими законами и постоянными. А значит, обязательно существует и такая вселенная, где физические константы образуют нужную для нашей жизни комбинацию.

Джон Уилер. Фото из «Википедии»

Так постепенно формировались идеи, которые в 1973 году получили название «антропных принципов». Их два — слабый и сильный. Формулировку каждого Картер дал во время 63-го симпозиума Международного астрономического союза, приуроченного к празднованию 500-летнего юбилея со дня рождения Коперника. Симпозиум проходил в Кракове. На заседании, где должен был выступить Картер, председательствовал Джон Уилер и сказал во вступительном слове, что речь пойдет о том, «участвует ли человек в проектировании Вселенной гораздо более существенным образом, чем можно было раньше представить».

Коперник отодвинул Землю из центра мироздания, и человек перестал быть «пупом Вселенной». Но если прав Картер, то именно человек, наблюдатель, является тем «пупом», ради которого существует наша Вселенная!

Слабый антропный принцип в формулировке Картера звучал так: «Наше положение во Вселенной обязательно является привилегированным по степени совместимости с нашим существованием в качестве наблюдателей».

Сильный антропный принцип исходил из «философии ансамбля миров», согласно которой «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы допускать появление наблюдателя внутри нее на каком-то этапе».

Тогда-то Картер и произнес, перефразируя Декарта: «Cogito ergo mundus talis est» («Я мыслю, следовательно, мир таков»).

Слабый антропный принцип: «Мы таковы, потому что такова Вселенная».

Сильный антропный принцип: «Вселенная такова, потому что таковы мы».

***

Правда, есть еще вариант, вероятность которого рассчитать невозможно, да и вообще этот вариант «антропного принципа» (как слабого, так и сильного) не может иметь отношения к науке (но ведь и права на существование его не лишишь!).

Вселенную создал Бог-творец. Он специально сконструировал именно такую Вселенную, потому что целью было создание человека разумного. Достаточно принять такую концепцию мироздания — и снимаются все вопросы, исчезают все противоречия. Но... исчезает и сама наука. Что может сказать космология, если всё, что нас окружает, и мы сами — суть творения Божьи?

Остается вопрос вопросов: какой из вариантов антропного принципа — слабый или сильный — реализуется в нашем реальном мире? Вероятность первого — практически нулевая. Вероятность второго — практически стопроцентная. Вроде бы и выбирать не надо, всё ясно.

Да, но... Ученым нужны не логические рассуждения и убеждения, а физические доказательства. Современные космологи, физики, астрофизики в большинстве убеждены, что вселенных бесконечно много. А доказательств нет. Ни одной другой вселенной, кроме нашей, мы не знаем. Ни одного другого разума в нашей Вселенной, кроме нашего, мы не обнаружили. Пока.

И тут пролегает «водораздел» между физиками.

Одни убеждены, что если другие вселенные существуют, то обнаружить их невозможно в принципе. Но многие физики и космологи убеждены, что другие вселенные пока не обнаружены.

У физиков есть аргументы. Пока лишь аргументы, но, если они подтвердятся, то станут доказательствами «сильного антропного принципа».

Один из аргументов: исследуя флуктуации реликтового микроволнового фона, группа английских астрофизиков (Том Шанкс и его коллеги) обнаружила в 2012 году странное «холодное пятно». «Возможно, — полагает Шанкс, — пятно возникло в результате столкновения нашей Вселенной с пузырем другой...»

Еще одна возможность: некоторые современные физики (например, Леонард Сасскинд) предполагают, что в уравнении Шрёдингера есть нелинейная составляющая, которую сейчас не учитывают. Если это так, то вселенные взаимодействуют, и такое взаимодействие в будущем обнаружат.

Ученые, кому посчастливится открыть другие вселенные, получат Нобелевскую премию. Жаль, что это будут не Григорий Идлис, не Брендон Картер, не Джон Уилер...

Источник 

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436119/Ya_myslyu_sledovatelno_mir_takov