Мы существуем. Что этот факт может рассказать нам о Вселенной?

То, что Вселенная существует и что мы здесь, чтобы наблюдать за ней, говорит нам о многом. Это позволяет нам накладывать ограничения на физические параметры и делать предположения о существовании различных состояний и взаимодействий в той области, где у нас недостаточно знаний. Но есть серьезные ограничения того, что мы можем узнать получая знания подобным образом.

Антропный принцип имеет увлекательное научное применение, где простой факт нашего существования содержит глубокие физические понятия.

На протяжении тысячелетий люди размышляли о смысле нашего существования. Философы, задавались вопросом, можно ли доверять разуму по своему интерпретирующему нашу реальность, физики пытались объяснить странные аспекты квантовой физики и теории относительности. От последних мы узнали, что некоторые законы нашей Вселенной являются объективно верными для объекта являющегося её частью, а другие зависят от действий и свойств наблюдателя.

Хотя научный процесс в сочетании с нашими экспериментами и наблюдениями открыл многие фундаментальные физические законы и сущности, управляющие нашей Вселенной, многое еще остается загадкой. Однако точно так же, как Декарт мог рассуждать: «Я мыслю, следовательно, я существую», факт нашего существования — тот факт, что «мы есть» — имеет неизбежные физические последствия и для Вселенной. Вот чему может научить нас простой факт того, что мы существуем — природе нашей реальности.

Гравитация Солнца

Гравитационное поведение Земли вокруг Солнца не связано с невидимым гравитационным притяжением, а лучше описывается свободным падением Земли через искривленное пространство, в котором преобладает Солнце. Кратчайшее расстояние между двумя точками — это не прямая линия, а скорее геодезическая: изогнутая линия, определяемая гравитационной деформацией пространства-времени. Законы Вселенной допускают, но не предписывают существование разумных наблюдателей.

Фундаментальные взаимодействия частиц в пространстве

Начнем с того, что во Вселенной есть набор управляющих правил, и мы смогли понять по крайней мере некоторые из них. Мы понимаем, как гравитация работает на непрерывном, не квантовом уровне: материя и энергия искривляют пространство-время, и это искривленное состояние определяет, как материя и энергия движутся в нем. Из стандартной модели мы знаем большую часть существующих частиц и то, как они взаимодействуют через три фундаментальные силы, в том числе на квантовом уровне. И мы знаем, что существуем, состоящие из тех же самых частиц и подчиняющиеся тем же законам природы.

Основываясь на этих фактах, физик Брэндон Картер еще в 1973 году сформулировал два утверждения, которые кажутся верными:

  • Мы существуем как наблюдатели здесь и сейчас во Вселенной, и поэтому Вселенная совместима с нашим существованием в этом конкретном месте в пространстве-времени.
  • Наша Вселенная — включая фундаментальные параметры, от которых она зависит, должна существовать таким образом, чтобы в ней в какой-то момент могли существовать такие наблюдатели, как мы сами.

Антропный принцип

Эти два утверждения известны сегодня как Слабый антропный принцип и Сильный антропный принцип соответственно. При правильном использовании они могут позволить нам сделать невероятно важные выводы и ограничения о том, на что похожа наша Вселенная.

Стандартная модель элементарных частиц

Эта диаграмма взаимодействий подробно описывает, как частицы Стандартной модели взаимодействуют в соответствии с тремя фундаментальными силами, которые описывает квантовая теория поля. Когда добавляется гравитация, мы получаем наблюдаемую Вселенную, которую мы видим, с известными нам законами, параметрами и константами, управляющими ею. Загадки, такие как темная материя и темная энергия, все еще остаются.

Подумайте об этих фактах. Вселенная имеет параметры, константы и законы, которые ею управляют. Мы существуем в этой Вселенной. Следовательно, общая сумма всего, что определяет, как она работает, должна позволять таким существам, как мы, появиться в ней.

Это кажется набором простых, очевидных фактов. Если бы Вселенная была такова, что существование таких существ, как мы, было физически невозможно, то мы бы никогда не появились на свет. Если бы Вселенная обладала свойствами, несовместимыми с любой существующей формой разумной жизни, то не могло бы появиться никаких наблюдателей, подобных нам.

Но мы здесь. Мы существуем. И, следовательно, наша Вселенная действительно существует с такими свойствами, в которых, возможно, мог бы развиться разумный наблюдатель. Тот факт, что мы здесь и что мы активно участвуем в акте наблюдения за Вселенной, подразумевает следующее: Вселенная устроена таким образом, что наше существование возможно. В этом суть антропного принципа вообще.

Обсерватория ALMA

На этом изображении запечатлено несколько ярких звезд, области звездообразования и плоскость Млечного Пути над обсерваторией ALMA в южном полушарии. Это буквально один из самых мощных способов быть «наблюдателями», но все же неясно, какую роль, если вообще какую-либо, играет разумный наблюдателя в воздействии на само пространство.

Не похоже, что это утверждение должно быть спорным. Также не похоже, что это учит нас очень многому, по крайней мере, на первый взгляд. Но если мы начнем рассматривать множество физических загадок, которые Вселенная преподносила нам на протяжении многих лет, то начинаем понимать, насколько мощной может быть идея для научных открытий.

Тот факт, что мы являемся наблюдателями, состоящими из атомов, и что многие из этих атомов являются атомами углерода, говорит нам о том, что Вселенная каким-то образом создала углерод. Легкие элементы, такие как водород, гелий и их различные изотопы, образовались на ранних стадиях Большого взрыва. Более тяжелые элементы образуются в звездах различных типов на протяжении их жизни.

Образование углерода

Но для образования этих более тяжелых элементов должен быть какой-то способ образования углерода: шестого элемента в периодической таблице. Углерод в своей наиболее распространенной форме имеет в ядре 6 протонов и 6 нейтронов. Сейчас он образуется в звездах, но должен быть какой-то способ образовать его из других элементов, которые уже существуют в звездах: таких элементов, как водород и гелий.

Строение Солнца

На этом разрезе показаны различные области поверхности и внутренней части Солнца, включая ядро, которое является единственным местом, где происходит ядерный синтез. Со временем богатое гелием ядро ​​будет сжиматься и нагреваться, что позволит синтезировать гелий в углерод. Однако для протекания необходимых реакций требуются дополнительные ядерные состояния для ядра углерода-12 помимо основного состояния.

Известно, что атомная масса самого распространенного элемента во Вселенной – углерода, равна 12,0116 а.е.м. Для получения углерода-12 достаточно трех ядер гелия-4, которые, в свою очередь, содержат по два протона и два нейтрона, а их слияние называется тройным альфа-процессом.

Но вместе взятые три ядра гелия слишком массивны для эффективного воспроизведения  углерода-12. В момент когда два ядра гелия-4 сливаются воедино они образуют бериллий-8 всего за ~10^–16 с, прежде чем он снова распадется на два ядра гелия. При слишком высокой температуре, учитывая вероятность попадания третьего ядра гелий-4, образование углерода-12 в объеме необходимом для нашей Вселенной исключено.

Открытие Фреда Хойла

К счастью, физик Фред Хойл, пытающийся понять антропный принцип предположил что Вселенной необходим способ получения водорода из гелия. По его мнению, возбужденное состояние ядра углерода-12 должно существовать при определенной энергии, чтобы три ядра гелия-4 могли сливаться в углерод-12. Уже через пять лет после открытия Фреда Хойла, физик-ядерщик Уилли Фауллер сделал тоже самое предположение о тройном альфа-процессе.

Тройной альфа процесс

Предсказание состояния Хойла и открытие тройного альфа-процесса, возможно, являются самым ошеломляюще успешным использованием антропных рассуждений в истории науки.  Это как раз то, что объясняет процесс создания большей части углерода в нашей Вселенной.

Энергия вакуума

Другой случай рассматривает применение антропного принципа для объяснения энергии вакуума во Вселенной. Согласно квантовой теории при вычислении энергии пустого пространства или энергии нулевой точки, если бы вы удалили все частицы и внешние поля из области пространства — без масс, без зарядов, без света, без излучения, без гравитационных волн, без искривленного пространства-времени и т. д. — вы остались бы с пустым пространством.
Пустое пространство, в свою очередь, содержало бы в себе квантовые флуктуации,  соответственно продолжало бы действовать согласно законам физики.

Если мы попытаемся подсчитать, какова плотность энергии этого пустого пространства, мы получим абсурдное значение, которое настолько велико насколько возможен при таких обстоятельствах повторный коллапс Вселенной. Отсюда следует, что ответ, который мы получаем в результате этих вычислений, неверен.

Квантовая флуктуация

Даже в вакуумном пространстве, лишенном зарядов, масс, искривленного пространства и каких-либо внешних полей, по-прежнему существуют законы природы и лежащие в их основе квантовые поля. При вычислении состояния с наименьшей энергией, обнаружится, что оно не совсем равно нулю, нулевая энергия Вселенной кажется положительной и конечной, хотя и невеликой.

Предположения Стивена Вайнберга

В 1987 году физик Стивен Вайнберг используя антропный принцип также попытался докопаться до сути. Итак, насколько быстро Вселенная расширяется или сжимается, независимо от всей материи определяет энергия пустого пространства. Жизнь, планеты, звезды, и даже молекулы и атомы не смогут сформироваться если скорость расширения или сжатия слишком высока.

Если мы учитываем вероятность существования в нашей Вселенной других галактик, звезд, планетных систем, живых существ в этом случае мы также устанавливаем ограничения на содержание энергии вакуума во Вселенной. Согласно расчетам Вайнберга, произведённых в 1987 году, значение должно быть по крайней мере на 118 порядков, то есть в 10¹¹⁸ раз меньше, чем значение, полученное из расчетов квантовой теории поля.

Это число было впервые измерено в 1998 году, даже без необходимых инструментов для выполнения расчетов, но благодаря антропному принципу, удалось произвести необходимые вычисления. Полученное число было на 120 порядков (в 10¹²⁰) меньше, чем предположение Вайнберга.

Теория струн

Ландшафт теории струн на настоящий момент может быть просто захватывающей теорией, которой не под силу объяснить значения космологической постоянной, начальной скорости расширения или полной плотности энергии.

В 2020 году, физик-теоретик Джон Бэрроу умер от рака толстой кишки. В далеком 1986 году, он совместно с Френком Типлером написал книгу «Антропный космологический принцип», завоевавшую популярность в научных кругах.

В своей книге они сформулировали антропный принцип в виде нескольких утверждений:

  • Наблюдаемые значения всех физических и космологических величин не являются в равной степени вероятными, но они принимают значения, ограниченные требованием существования мест, где может развиваться жизнь на основе углерода, и требованием, чтобы Вселенная существовала достаточное количество времени, чтобы то, что должно случится – случилось.
  • Вселенная должна обладать теми свойствами, которые позволяют жизни развиваться на ней в момент её существования.

На первый взгляд эти утверждения могут показаться идентичными предыдущим, но в сумме они приводят к совершенно иному выводу.

Вместо первоначального утверждения Картера: «Наше существование как наблюдателей означает, что законы Вселенной должны предоставлять наблюдателям возможность существовать», теперь мы имеем: «Вселенная должна допускать существование разумной жизни на основе углерода. Гипотетические Вселенные, где жизнь не развивается, не допускаются».

Образование гликоальдегида в природе

Присутствие молекул на основе углерода в процессе формирования звёзд не рассматривается антропологией. Здесь гликоальдегид, пример простого моносахарида, показан в месте, соответствующем тому, где они были обнаружены в межзвездном газовом облаке.

Можно предположить, что это очень масштабное переосмысление антропного принципа, которое отталкивается от требования:   «Вселенная подразумевает существование наблюдателей» к требованию: «ограничение возникновения Вселенных, в которых отсутствуют разумные наблюдатели». Если вы согласны, что это нестандартное утверждение ломает стереотипы, не поддерживается ни наукой, ни здравым смыслом, вы не одиноки в своем мнении. Барроу и Типлер в своей излюбленной книге не останавливаются на этом, и  предлагают следующие альтернативные интерпретации антропного принципа:

  • Вселенная в том виде, в каком она существует сейчас, была создана с целью создания и поддержания наблюдателей.
  • Для создания Вселенной необходимы наблюдатели.
  • Для поддержания существования нашей Вселенной необходим ансамбль Вселенных с разными фундаментальными законами и константами.

Каждый из этих сценариев имеет место быть, и напоминает фееричное шоу с  разнообразными аттракционами, но, по сути, все они представляют собой невероятно спекулятивные логические попытки рассуждать об истине космической цели и отношениях между наблюдателями и существующей реальностью.

Мультивселенная

Вероятно, для нас не составит труда предположить о существовании сколь угодно большого количества возможных конфигураций нашей Вселенной и управляющих ею законов, констант. Мы можем быть уверены, что наша Вселенная подразумевает существование разумных наблюдателей. Однако ни этот, ни любой другой антропный аргумент не могут сказать нам ничего значимого о том, что не находится под физическим наблюдением.

Мы можем повсюду слышать рассуждения о том, что антропный принцип распространяется практически на все сферы жизни: поддерживает вселенную, предоставляет доказательства существования струнного ландшафта, требует для защиты Земли возникновение крупного гиганта на подобие Юпитера для защиты Земли от астероидов,  решает вопрос, почему Земля находится примерно в 26 000 световых лет от галактического центра. Подобное злоупотребление  антропным принципом не позволяет нам найти ему подходящее определение.

В чем нет сомнений, так это в том, что мы существуем, законы природы существуют, в этом случае антропный принцип обладает научной ценностью. А всё  что касается размышлений об отношениях, причинах или явлениях, которые не могут быть нами обнаружены или измерены, в этом случае мы оставляем науку позади.

Измышления подобного рода не могут быть однозначно неинтересными с интеллектуальной точки зрения, но они не приближают нас к пониманию антропного принципа. Наши ежедневные поиски могут приблизить нас к пониманию процессов нашей Вселенной или отдалить от них, в зависимости от того насколько они поддаются научному измерению.

Читайте также: