Физическое содержание АП - Антропный принцип современной космологии

Космологов и физиков-теоретиков, занимающихся космологией, интересовали проблемы: почему тот или иной космологический параметр имеет вполне определенное значение? Почему мир устроен так, а не иначе? Почему Вселенная такова, как мы ее наблюдаем? Подход, который использовался при решении этой проблемы, соответствует обычной, принятой физике методологии. Если нас интересуют значения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значения и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой системе (в данном случае во Вселенной). Этот естественный и вполне разумный подход неожиданно (как мне кажется - для самих исследователей) привел к установлению связи между существованием наблюдателя и наблюдаемыми свойствами Вселенной.

1. Размерность физического пространства N. Это одна из важнейших фундаментальных характеристик нашего Мира.

Почему пространство имеет три измерения? Очевидно, при N < 3 человек существовать не может. Возможно, что существуют двумерные и одномерные миры. Мы можем мысленно изучать их свойства, но наблюдать эти миры мы не можем. Остаются миры, в которых N T 3. Каковы физические законы в этих мирах? В нашем трехмерном мире для дальнодействующих взаимодействий (к которым относятся гравитационное и электромагнитное взаимодействия) сила взаимодействия двух точечных источников убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними - закон всемирного тяготения и закон Кулона. Выражение для силы можно записать в виде

F3 = a3/R3-1

Где a3 - коэффициент пропорциональности, зависящий от произведения взаимодействующих зарядов (или масс). Индекс 3 указывает, что формула справедлива для трехмерного пространства. Эту формулу легко обобщить на случай N - мерного пространства:

FN = aN/RN-1

Анализ характера движения под действием такой силы (Эренфест, 1917г.) показал, что при N T 4 в задаче двух тел не существуют замкнутые устойчивые орбиты: планета либо падает на центральное тело, либо уходит в бесконечность. То есть, в таких мирах не существует аналогов планетных систем и атомов, а, следовательно, в них невозможна жизнь. Таким образом, размерность пространства оказывается жизненно важным фактором. Единственное значение параметра N, которое совместимо с существованием жизни во Вселенной, N = 3. Это, конечно, не объясняет, почему наш мир трехмерный, но это указывает на то, почему мы наблюдаем именно такой мир: в другом мире мы просто не могли бы существовать. Это относится не обязательно к человеку, но к любому разумному существу (наблюдателю), представляющему собой некую сложную структуру, построенную из атомов. (Здесь даже не обязательно ограничиваться рассмотрением водно-углеродной жизни).

    2. Средняя плотность вещества во Вселенной. В космологии существует понятие критической плотности rc. Если средняя плотность вещества во Вселенной r < rc , то кривизна пространства отрицательна, вселенная неограниченно расширяется; при r > rc кривизна положительна, мир замкнут, расширение сменяется сжатием; при r = rc кривизна пространства равна нулю - геометрия мира евклидова. критическая плотность rc = 10-29. средняя плотность "светящегося" вещества, полученная из наблюдений, меньше rc , но по порядку величины близка к ней. если учесть возможно существующую "скрытую массу" во вселенной, то средняя плотность r должна быть еще ближе к критической; может быть она даже превзойдет ее, но останется вблизи rc . итак, во вселенной удовлетворяется соотношение r = rc . такое совпадение удивительно, ибо плотность, вообще говоря, может иметь произвольное значение. как это объяснить? средняя плотность связана со скоростью расширения вселенной. если r < rc , вселенная расширяется слишком быстро, и в ней не могут образоваться гравитационно-связанные системы - галактики и звезды, которые необходимы для жизни. если r > rc , гравитационно-связанные системы легко возникают, но время жизни такой вселенной (длительность цикла расширение-сжатие) мало, много меньше, чем требуется для возникновения жизни. таким образом, если бы условие r = rc не выполнялось, то жизнь в такой вселенной была бы невозможна. следовательно, средняя плотность вещества во вселенной тоже оказывается жизненно-важным фактором, а условие r = rc - необходимым для существования жизни во вселенной. это, опять-таки, не объясняет, почему в нашей вселенной выполняется данное соотношение, но позволяет предсказать его для любой обитаемой вселенной. 3. Совпадение больших чисел. Существует несколько удивительных соотношений между константами, характеризующими Вселенную. Они даже получили название "совпадение больших чисел". Одно из них связывает постоянную Хаббла (Но) с атомными константами. Возникает вопрос: как объяснить это совпадение? Является ли оно чисто случайным или его можно предсказать теоретически? Оказывается это возможно, но только для обитаемой Вселенной.

Б. Картер сформулировал это положение в следующем виде: можно теоретически (до наблюдений) предсказать "совпадения больших чисел", если использовать некий антропологический принцип: то, что мы можем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования. Посмотрим, как он работает в рассматриваемом примере.

В соответствии с антропным принципом, в обитаемой Вселенной должно выполняться соотношение

Tо ~ Ts

Где Tо - современный возраст Вселенной (т. е. возраст в момент существования наблюдателя), а Ts - время жизни звезды на главной последовательности.

Действительно, если Tо Є Ts, то к моменту Tо в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если Tо є Ts, то к этому моменту все ядерное горючее уже выгорит, ядерные реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут поставлять энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие Tо ~ Ts является необходимым для существования жизни. И поэтому можно предсказать, что оно должно выполняться в нашей Вселенной. Но Tо = I/Hо, а Ts выражается через атомные константы; Если подставить соответствующее выражение, то можно убедиться, что соотношение Tо ~ Ts эквивалентно рассматриваемому совпадению "больших чисел", которое, таким образом, тоже может быть предсказано.

4. Структура Вселенной и фундаментальные константы. Природа материального мира, его важнейшие свойства в значительной мере определяются фундаментальными физическими константами. К ним, прежде всего, относятся безразмерные константы четырех физических взаимодействий: гравитационного ag, слабого aw электромагнитного ae и сильного as, а также массы основных элементарных частиц: протона mp, нейтрона mn и электрона me. Другие фундаментальные константы, такие как постоянная Планка, гравитационная постоянная G, скорость света c и заряд электрона e входят в определение безразмерных констант. Значения констант получены из эксперимента. Но почему они имеют именно такие значения? Почему, например, константа гравитационного взаимодействия так мала? Что было бы, если увеличить ее значение? Что будет, если увеличить массу протона? Исследованию зависимости между структурой Вселенной и численными значениями фундаментальных констант посвящено много работ. Основной результат состоит в том, что структура Вселенной крайне чувствительна к численным значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Достаточно значению какой-либо из постоянных выйти за эти узкие пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения: в ней становится невозможным существование одного или нескольких основных структурных элементов - атомных ядер, самих атомов, звезд или галактик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Таким образом, значения фундаментальных констант определяют условия, необходимые для существования во Вселенной жизни (и наблюдателя). Это довольно неожиданный результат! Он означает, что в любой обитаемой Вселенной (мыслимой или реально существующей) фундаментальные физические константы не могут иметь иные значения, кроме тех, которые известны нам из опыта. Следовательно, используя антропный принцип, мы можем приближенно предсказать значения этих констант, ничего не зная о результатах их экспериментального определения.

Эти и подобные им примеры (которые можно увеличить) исчерпывают физическое содержание АП. Все остальное относится к его интерпретации.

Похожие статьи




Физическое содержание АП - Антропный принцип современной космологии

Предыдущая | Следующая