Антропный принцип
Наименование принципа, взятого в качестве заглавия этого раздела, происходит от греческого слова «антропос» — человек. Это название утвердилось в науке и вошло в наш научный язык. Его точным переводом было бы «человеческий принцип». Он встречается сейчас во многих научных статьях. Зачастую становится предметом обсуждения, когда ученый попадает в компанию людей, интересующихся проблемами науки, но не занимающихся ею профессионально. Впрочем, иногда речь об антропном принципе возникает и тогда, когда астрофизик попадает в тупик. Астрофизики, встречающиеся с вопросом, ответа на который они не знают, иногда ссылаются на антропный принцип. Суть такого ответа может быть выражена словами: «Я не знаю ответа на этот вопрос, я не могу объяснить того, почему природа ведет себя так, а не иначе. Но если бы она вела себя иначе, не могли бы возникнуть жизнь и человек, задающий этот вопрос».
Корни антропного принципа уходят в далекое прошлое. Древнегреческий философ и математик Пифагор, родившийся в 582 году до нашей эры, обнаружил целый ряд закономерностей, связывающих между собой некоторые числа. Он установил, что особые сочетания или отношения чисел связаны с формой геометрических фигур (например, теорема Пифагора) и с некоторыми физическими процессами (например, связь тонов, испускаемых струнами, с длиной этих струн). Пифагор считал, что число есть сущность всех вещей и что Вселенная представляет собой гармоническую систему чисел и их соотношений. Обдумывая это, он пришел к выводу, что числа, а не боги управляют миром.
Союз, созданный Пифагором в г. Кротоне в Южной Италии, был одновременно философской школой и политической партией. Он работал в условиях секретности. Желавший вступить в него подвергался испытанию пятилетним молчанием.
Замкнутость пифагорейского союза привела к тому, что достоверных сведений о жизни и деятельности Пифагора, а также письменных прижизненных изложений его учения не сохранилось.
Позднейшие пифагорейцы придали учению Пифагора чисто мистический смысл и построили на этой основе идеалистическое учение.
При изучении природы люди часто встречались со странными и непонятными закономерностями, связывающими числа, возникающие в ходе таких исследований. Например, Кеплер, изучая теорию Коперника, обнаружил, что радиусы планетных орбит относятся между собой как числа 8:15:20:30:115:195. (В его время были известны только шесть планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн.) Кеплер писал: «Я размышлял над этим со всей энергией, на которую способен мой ум».
Кеплер приступил к кропотливым построениям и вычислениям. Внезапно он вспомнил: греческие математики доказали, что среди пространственных фигур — многогранников могут существовать лишь пять правильных фигур, все грани и углы которых одинаковы. Пять многогранников. При их помощи можно построить шесть сфер. Шесть сфер — шесть планет!
Проделав огромную работу, Кеплер показал, как можно построить пять таких многогранников, чтобы радиусы связанных с ними сфер находились в тех отношениях, которые он получил для планетных орбит.
Теперь мы знаем, что результат, полученный Кеплером,— лишь случайное совпадение.
По поводу подобных чудесных совпадений Эйнштейн писал: «Целью всей деятельности интеллекта является превращение некоторого «чуда» в нечто постигаемое».
В тридцатых годах нашего века один из крупнейших астрофизиков — А. Эддингтон и один из создателей современной квантовой физики — П. Дирак обратили внимание на странное совпадение ряда чисел, возникающих при исследовании микромира и макромира. Такое совпадение обнаруживается при сравнении между собой некоторых величин, полученных при независимом изучении этих столь далеких одна от другой областей. Удивительным было и то, что отношения многих величин, кажущихся совершенно несвязанными между собой, приводят (точно или с небольшими погрешностями) к одному и тому же колоссальному числу 1040 или к небольшим степеням этого числа.
Мы уже приводили некоторые величины, за пределами которых теряют силу известные нам физические законы. Напомним их. Это планковская длина 10-33 см и планков-ское время 10-43 с. Современная наука не может гарантировать, остаются ли пространство и время непрерывными там, где существенную роль приобретают еще более малые интервалы длины и времени. Заметим, что планковское время равно времени, которое затратит свет на прохождение планковской длины.
Первое странное совпадение, которое имели в виду Эддингтон и Дирак, возникает, если сравнить возраст Вселенной (около 1010 лет, то есть около 3 • 1017 с) с временем, нужным свету для того, чтобы пересечь ядро атома (10-24 с). Его называют «ядерным временем». Их отношение приблизительно равно 1040. В свою очередь отношение «ядерного времени» (10-24 с) к планковскому времени равно приблизительно 1020, то есть корню квадратному из «магического» числа 1040.
Это число можно назвать магическим потому, что оно появляется во многих других случаях, но никто не знает, почему оно возникает. Например, отношение возраста Вселенной к планковскому времени близко к (1040)3/2- Число ядерных частиц внутри современного горизонта равно (1040)2. Время жизни типичной звезды в 1040 раз больше «ядерного времени», а сила гравитации в атоме водорода в 1040 раз слабее электромагнитных сил, действующих внутри этого атома.
Во все процессы, включающие взаимодействие вещества и электромагнитного поля, входит численный коэффициент, получивший название коэффициента тонкой структуры.
Эта величина была впервые обнаружена при подробном исследовании структуры оптических спектров атомов, что и объясняет ее наименование. Она равна почти точно 1/137. Аналогичная величина для силы гравитации равна приблизительно 10-40.
Имея в виду странное совпадение многих величин, характеризуемых одним и тем же колоссальным числом 1040, Дирак в 1938 году написал: «Можно предположить, что такое совпадение является следствием некоторой глубокой связи в природе между космологией и атомной теорией».
Хочется подчеркнуть, что Дирак, принадлежащий к крупнейшим ученым современности, проявил в этой фразе глубокую уверенность в познаваемости природы. Верным оказалось и его предвидение. Свойства космоса и элементарных частиц, как мы видели выше, действительно связаны единством взаимодействий, управляющих всем материальным миром.
В противоположность мнению Дирака, сторонники антропного принципа утверждают, что эти и другие странные совпадения чисел, характеризующих свойства природы, являются случайными. Но, говорят они, можно проверить и убедиться в том, что отклонения от этих совпадений повлекли бы за собой столь существенные изменения свойств природы, что в ней не могли бы возникнуть условия для существования людей.
Одни из них говорят: в принципе возможны и другие вселенные с другими магическими числами, но там нет людей, способных изучать природу.
Другие говорят: совпадение чисел не случайно — это предусмотрено творцом природы, богом. Но промысел божий непостижим, поэтому не следует искать смысла в таких совпадениях.
Но большинство ученых исходят из того, что природа познаваема, что цель науки — познание природы, выявление сути природных явлений и процессов, использование полученных знаний на благо человечества.
Там, где сторонники антропного принципа видят случайность или непознаваемость, физика, астрофизика и космология обнаруживают для ученых-материалистов очередной стимул к познанию, усматривают вопрос, требующий исследования.
Многие ученые пытались выяснить основы единства природы. Интерес к этой проблеме возбуждается и тем, что космология накладывает жесткие пределы на целый ряд характеристик, от которых зависит эволюция Вселенной.
Пожалуй, самым впечатляющим доводом сторонников антропного принципа являлось ограничение на плотность вещества в начале фридмановского расширения Вселенной. Конечно, речь идет не о бесконечной плотности в недоступный момент начала этого расширения, когда вся Вселенная была сжата в бесконечно малом объеме.
Мы уже знакомы с этим ограничением: самым ранним моментом, о котором мы можем судить, является планковский момент времени: 10-43 с. Для того чтобы современный радиус видимой Вселенной был не менее 1028 см, что соответствует данным астрономов, средняя плотность массы Вселенной не должна в планковский момент времени превосходить критическую плотность на 1055 от величины критической плотности. Если эта величина превзойдена, то расширение Вселенной уже давно должно было прекратиться и она уже давно должна была сколлапсировать. Это произошло бы задолго до того, как возникли современные звезды и планеты, а значит, и жизнь современного типа. С другой стороны, если бы средняя плотность вещества Вселенной в планковский момент была меньше критической плотности в столь же ничтожное число 10-55 раз, то расширение Вселенной происходило бы много быстрее и средняя плотность вещества в ней стала бы исчезающе малой, прежде чем могли возникнуть звезды и планеты и жизнь современного типа.
Существует еще несколько подобных жестких ограничений. Одно из них — ограничение массы типичных звезд, составляющих большинство во всех галактиках. К ним принадлежит и наше Солнце. Стоит массе звезды превзойти определенную величину, как звезда будет сиять ярким голубоватым светом. Астрономы называют такие звезды голубыми гигантами. Если же масса звезды немного меньше этой величины, она будет небольшой красноватой звездочкой — красным карликом. Подсчеты показывают, что масса звезды тесно связана с комбинацией постоянных величин, определяемых соотношением величины гравитационного взаимодействия и величины электромагнитного взаимодействия. Мы знаем, что внутри атомов величина гравитационного взаимодействия в 1040 раз слабее электромагнитного взаимодействия.
Удивительно: стоит этому отношению немного увеличиться (гравитационное взаимодействие чуть меньше или электромагнитное чуть больше) — и все звезды были бы голубыми гигантами. Стоит этому отношению немного уменьшиться — и все звезды были бы красными карликами.
Если бы природа не обеспечивала очень точного баланса, то не могло бы существовать Солнце, а вместе с ним и мы с вами.
Ученые до 1980 года не могли объяснить, чем обусловлена столь точная величина «стартовой плотности» Вселенной. Следуя Дираку, нужно было и в этом случае сказать, что такая «точная настройка» является следствием некоторой глубокой связи в природе, что задача ученых — выяснить природу этой связи, объяснить ее, исходя из фундаментальных фактов и непротиворечивых теорий.
Некоторые ученые, не видя возможности рационального объяснения совпадений ряда чисел или жесткой ограниченности величин других чисел, признают свое бессилие в выражениях, по существу признающих это результатом сознательной деятельности высших сил. Один из них, Дж. Барроу, пишет: «Многие наблюдения естественного мира, несмотря на априорную необычность, представляются в этом свете (в свете этих совпадений.— И. Р.) как неизбежные последствия нашего существования».
Другие, обсуждая эти совпадения, в той или иной форме ссылаются на антропный принцип. Они считают, что все закономерности, наблюдаемые в природе, могут быть объяснены одним аргументом: если бы это было не так, то человечество не могло бы существовать, а значит, некому было бы задавать вопросы.
Но большинство ученых, выступающих в своих профессиональных сферах как материалисты, сознательные или стихийные, придерживаются другой позиции. Они пытаются показать, что само существование жизни в известной нам форме является следствием тех закономерностей и тех характерных величин, которые существуют в реальном мире и которые мы познаем все полнее и все точнее.
Например, Р. Дикке, имя которого неоднократно появлялось на этих страницах, подходит к этой проблеме, не прибегая к антропному принципу, а привлекая на помощь физике еще и биологию. Он опирается на то, что эпоха, в которую живет человечество, а особенно ее современная фаза с развитой наукой и технологией, занимает ничтожно малую долю в эволюции Вселенной. Он говорит о том, что отрезок времени, в который человек разумный достиг современного уровня, определен не случаем и не произволом творца, а связан с характерной длительностью определенных физических процессов.
Дикке обращает внимание на то, что в основе органической жизни земного типа лежит углерод, а также азот и кислород, которых не было на ранних стадиях эволюции Вселенной. Образование атомных ядер в первичной Вселенной закончилось на ядрах гелия. Остальные элементы, в том числе и необходимые для жизни, возникли в результате процессов, протекающих в недрах звезд при больших давлениях и температурах. Затем, при взрывах тех из звезд, которые прошли стадию сверхновых, ядра этих химических элементов были выброшены взрывом звезды и рассеяны в пространстве. Из этого «сырья» возникли современные звезды и галактики. Оценка времени, необходимая для того, чтобы Вселенная пришла в современное состояние, совпадает с тем, что нужно для появления объективных возможностей возникновения жизни.
Б. Карр и М. Рис указали, что теория Великого объединения позволяет вычислить, что с учетом известных из опыта величин время, прошедшее между Большим взрывом и нашей эпохой (примерно 1010 лет или 3 • 1017 с), оказывается в 1040 раз больше «ядерного времени», о котором говорилось в начале этого раздела (время, за которое свет пересекает атомное ядро,— около 10-24 с). Так современная физическая теория позволяет понять то, что раньше было непознанным и считалось случайным, необъяснимым без привлечения антропного принципа.
Мы видели, что современные сценарии эволюции Вселенной приводят к выводу о том, что наша Вселенная не охватывает всего сущего. На самых первых этапах эволюции возникло много изолированных частей — доменов, которые не обязательно были точными копиями того домена, из которого сформировалась наша Вселенная. Каждый из них мог развиваться иначе, в зависимости от небольших вариаций исходной массы вещества, заключенного в нем. В тех доменах, которые не сильно отличаются от нашего, возможно, разовьется жизнь, похожая на нашу. В других может не быть условий, необходимых для возникновения жизни. Мы познаем нашу Вселенную, наш мир и будем познавать его все более глубоко. Но другие миры, лежащие в других доменах, за нашим горизонтом событий, останутся недосягаемыми для исследования, потому что ни один сигнал не может распространяться со скоростью, превышающей скорость света. Поэтому мы не можем посылать сигналы за горизонт событий и получать сигналы из-за него.
Можно ли считать на этом основании, что природа непознаваема?
Отнюдь.
Мы можем познавать природу на всех уровнях от элементарных частиц до Вселенной, со всеми ее деталями.
Мы уже познали достаточно много. Мы обнаружили и целый ряд запретов.
Например: невозможна температура ниже абсолютного нуля, невозможна вечная жизнь для одного индивидуума, невозможна скорость, превышающая скорость света, невозможно ставить опыты за пределами горизонта событий...
Все это и многое другое составляет результаты процесса познания, является элементами знания. Путь выявления и накопления знаний безграничен.
Ибо каждый новый научный факт, каждая непротиворечивая научная теория являются ступенькой к обнаружению новых фактов, к построению новых, все более точных теорий, применимых ко все более широким областям знания.
Нужно лишь обеспечить, чтобы развитие науки не было прервано ядерной войной.
Для нас, людей Земли, не может служить утешением мысль о том, что высокоразвитые цивилизации существуют на других планетах или в других вселенных.
Мы, и только мы, можем и должны уберечь себя от' самоуничтожения. Сохранить род человеческий.