Антропный принцип в космологии

В различных формулировках антропного принципа речь идет, по сути, о единстве космоса и человека и той роли, которую выполняет последний в этом единстве.

Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Эти свойства количественно выражаются через фундаментальные постоянные (например, постоянная Планка) и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной и самой жизни во Вселенной.

Получается, что антропный принцип превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного в центральный, приоритетный. Сильный антропный принцип утверждает,что должна существоватьвселенная, в которой возможно наше существование среди множества других вселенных. Эта проблема была разрешена после создания инфляционной космологии. Была разработана теория хаотической инфляции, из которой стало ясно, что принципы инфляции достаточно просты и дают основание для решения вопроса об образовании мультивселенной. Было установлено, что при определенных условиях (вполне реалистичных), существует стадия экспоненциально быстрого расширения, которая и называется инфляцией. Длительность ее достаточно мала (10^-35 с), но за это время вселенная расширяется до огромных размеров (l~10¹⁰¹²см), даже если начальный размер был очень мал, порядка планковской длины lp~10^-33 см. Это приводит к тому, что вселенная становится практически плоской и однородной, так как все неоднородности растягиваются в 10^{10 12}раз. Вселенная после инфляции оказывается на много порядков больше той части вселенной, которую мы видим (l~10²⁸ см).

Изначально вселенная состоит из многих областей со случайным обра-зом распределенным полем. В тех областях, где поле мало, инфляция никогда не начинается и они не вносят вклад в объем вселенной. Основную роль в об-разовании вселенной играют области с большим значением поля; инфляция таких областей образует в первичном хаосе огромные острова, возникающие в результате экспоненциально быстрого раздувания. Размер каждого такого острова во много раз превышает размер наблюдаемой части нашей Вселенной. Разные части вселенной могли возникать в разные моменты времени и потом разрастаться до размеров, превышающих во много раз размер вселенной. Это значит, нельзя говорить о моменте рождения вселенной, до которого ее не су-ществовало. Это справедливо для всех вариантов теории хаотической инфляции,тем более с учетом процесса самовоспроизведения.

Эффект самовоспроизводства вселенной связан с квантовыми флуктуа-циями, которые могут быть достаточно велики и приводить к локальному уве-личению плотности потенциальной энергии в некоторой области, которая и переходит к инфляционному расширению. Процесс самовоспроизводства все-ленной в случае хаотической инфляции означает, что вселенная входит в ре-жим вечного самовоспроизводства или в вечную инфляцию.

Сценарий вечной инфляции может осуществиться для скалярного поля (инфлатона), если космологическая постоянная имитируется достаточно плос-ким потенциалом второго скалярного поля. Плотность энергии поля, постоян-ная на данный момент, будет существенно меняться в процессе инфляции. При условиях вечной инфляции квантовые флуктуации приведут к разделению все-ленной на бесконечное число экспоненциально больших частей со всевозмож-ными значениями поля. Это значит исходная вселенная разделяется на бесконечное число вселенных со всевозможными значениями эффективной космологической постоянной и разными физическими константами, что и состав-ляет смысл мультивселенной. Применение антропного принципа позволяет решить проблему существования вселенной, пригодной для нашего существования.

Разные области вселенной могут иметь разную размерность и всевоз-можные значения гравитационного постоянной. Инфляция может разделить вселенную на экспоненциально большие области с галактиками, имеющими существенно различные свойства и самые разнообразные наборы параметров частиц. Все это даёт основание искать антропное решение, прежде всего, про-блемы космологической постоянной.

Поскольку вселенная оказывается разделенной на бесконечное множе-ство экспоненциально больших областей с различными законами физики, то каждая из этих областей настолько велика, что может рассматриваться как от-дельная вселенная: существа, ее населяющие, будут жить экспоненциально да-леко от ее границ, и поэтому никогда ничего не узнают о существование дру-гих вселенных с другими свойствами. Мы живем в четырехмерной вселенной с учётом времени не потому, что области другой размерности с другими зако-нами невозможны, а просто потому, что жизнь типа нашей в них невозможна. Отсюда следует простое доказательство слабого антропного принципа. Не тре-буется никакая сверхприродная причина, создающая нашу вселенную со спе-циально подобранными для нашего существования параметрами.

Инфляционная вселенная сама по себе без всякого внешнего вмешательства создает возможность решения этого вопроса, рождая экспоненциально большие области с разными законами физики. В работе А.Линде дано математическое обоснование существования мультивселенной, содержащей все вселенные со всеми возможными законами физики,а это значит,что мыобязательно найдем среди них ту, в которой мы сможем жить. А это именно то, что требуется для доказательства сильного антропного принципа.

Математически понятие мультимира возникает из выражения для бесконечной суммы частей, не взаимодействующих друг с другом. Основу существования мультимира составляет механизм разделения вселенной на различные части вследствие эффекта самовоспроизводства инфляционных областей. Благодаря квантовым флуктуациям происходит рождение новых инфляционных областей, их быстрое расширение и обеспечивает эффект самовоспроизводства вселенной. Этот вечный и бесконечный процесс определяют квантовые флуктуации. Теория инфляции основывается на том, что понятие пространства-времени также фундаментально, как и понятие материи. Пространство может существовать и изменяться со временем и в отсутствии материи (электронов, протонов, излучения). В современной науке материальные поля и пространство-время объединяются в едином понятии суперполе. Объединенная теория всех взаимодействий включает и гравитацию, переносчиком ее является гравитон, существование которого было доказано в теории струн. Представление о суперполе даёт основание о понятии инфлатона, скатывание которого из возбуждённого состояния приводит к инфляционному взрыву.

Понятие абсолютного пространства Ньютона напоминает субстанцию, объединяющую все виды взаимодействий. Пространство (в общем случае пространство–время) есть реальная сущность, относительно которой может определяться ускорение, что демонстрирует известный опыт с «ведром».

Полный набор вселенных, образующих мультивселенную, гарантирует существование вселенной с тем или иным заданным свойством. Мультимир дает твердую формальную основу для дальнейшего применения сильного антропного принципа. С математической точки зрения сильный антропный принцип можно рассматривать как необходимое и достаточное условие возникновения в системе мультивселенной такой вселенной, свойства которой пригодны для возникновения жизни в той или иной форме. Слабый антропный принцип можно рассматривать как необходимое условие существования жизни в данной вселенной. Вопрос достаточности остаётся открытым, поскольку задачу определения жизни нельзя считать решённой.

Теория струн привела к выводу о существовании дополнительных измерений, которые определяются пространствами Калаби-Яу. Эти пространства могут обладать дополнительными свойствами и приводить к созданию гигантского набора модифицированных пространств дополнительных измерений. Число различных форм пространств дополнительных измерений оказалось огромным (~10⁵⁰⁰). Проблема использования пространства дополнительных измерений, определяющих свойства элементарных частиц, стала неразрешимой. Однако была выказана более жизнерадостная идея о том, что все возможные формы дополнительных измерений, возникающие в математике, реальны. Каждая из них существует в своей отдельной вселенной. Задача определения Вселенной, в которой возможно возникновение жизни, возникает из понятия мультивселенной (мультимира), существование которой основывается на вечной инфляции, а образующие ее вселенные состоят из частиц, задание которых дает теория струн.

Идеи о том, как может возникнуть данная Мультивселенная с тем или иным распределением составляющих ее Вселенных, основаны на вечной хаотической инфляции и теории струн. «…Если объединить инфляционную космологию с теорией струн, то процесс вечной инфляции орошает 10⁵⁰⁰ возможных форм дополнительных измерений, возникающих в теории струн, привитых на пузырьки-вселенные, что даёт способ реализации всех возможностей». Согласно этой логике, мы живём в пузырьке с такими дополнительными измерениями, такой космологической постоянной, такими физическими константами, физическими законами и всем остальным, которые определяют условия существования нашей формы жизни и согласуются с результатами наших наблюдений. Форма дополнительных измерений определяет физические свойства внутри конкретного пузырька-вселенной. Распределение энергии поля инфлатона в пространстве представляет множество максимумов и минимумов различной величины, этот горный рельеф называется струнным ландшафтом. Многообразие гор и долин в этом ландшафте обеспечивает реализацию 10⁵⁰⁰различных форм дополнительных измерений. Непрекращающиеся квантовые туннелирования сквозь струнный ландшафт реализуют каждую возмож-ую форму дополнительных измерений в том или ином пузырьке-вселенной. В этом суть ландшафтной мультивселенной.

В работе Л.Сасскинда показано, что понятие струнного ландшафта даёт основание для применения антропного принципа. Струнный ландшафт обладает необъятным количеством вершин и долин, характеризующих распределение поля инфлатона (поля, вызывающего инфляцию), поэтому решение этой задачи оказывается невероятно трудным. Для продвижения в этом направлении требуется учет эффекта отбора, а именно, антропного принципа. Если есть некий вариант мультивселенной, из которого гарантировано существование единственной Вселенной с благоприятными условиями для возникновения жизни, то возможно вывести математически свойства такой вселенной. Если полученные свойства согласуются с нашими, то это станет впечатляющим подтверждением антропного подхода. Решение этой задачи было рассмотрено Вайнбергом в связи с определением космологической постоянной. Он предложил вместо существования жизни рассматривать образование галактик, что создает условия возникновения планетных систем, а, значит, и вероятность возникновения жизни приобретает некоторую реальность.

Полученные в последние десятилетия экспериментальные данные показали ускоренное расширение нашей Вселенной. Убедительное объяснение этого явления состоит в том, что космологическая постоянная отлична от нуля, это доказывает существование тёмной энергии, заполняющей пространство и определяющей антигравитацию. Энергия, присущая квантовым флуктуациям, пронизывает все пространство и является тем микроскопическим механизмом, который порождает космологическую постоянную. Однако в течение многих лет существовало мнение, основанное на теории суперсимметрии, из которой следовало, что космологическая постоянная должна была равняться нулю.

Вайнберг предложил альтернативный теоретический подход, согласно которому космологическая постоянная мала, но не равна нулю! В своих вычислениях Вайнберг исходил из идеи, которая делит физиков на два лагеря - одни ее почитают и считают глубокой, другие - отвергают и считают глупостью. Идея эта имеет официальное название - антропный принцип.

Из модели строения солнечной системы Коперника следовало, что человечество вовсе не находится в центре Вселенной, более того, мы живем не в центре Солнечной системы и не в центре Галактики. Казалось бы, людям не отводится какая-то особая роль в мире. Однако почти через пятьсот лет после работы Коперника, на юбилейной конференции в Кракове австралийским физиком Картером была выказана мысль, что есть область, в которой мы действительно играем особую роль - это сфера наших собственных наблюдений. Место и время, где мы можем жить, определяют исключительность нашего положения и это оказывает огромное влияние на то, что мы можем видеть. Если бы мы могли изменить расстояние от Земли до Солнца, то вращение нашей планеты с точки зрения законов физики мало в чем изменилось бы. Однако изменение расстояния изменило бы температурный режим, обеспечивающий нашу жизнь, и нас не стало бы. Сам факт, что мы измеряем расстояние, определяет, что полученный результат должен попасть в диапазон значений, совместимых с самим нашим существованием. В масштабе космоса нет ничего удивительного в том, что среди всех планет во всех солнечных системах во всех галактиках есть, по крайней мере одна, с климатом, благоприятствующим нашей форме жизни. Мы живем на такой планете, а на других жить не сможем. Эту особенность природы можно назвать космологической антропностью. Можно предположить, что антропный принцип может быть распространен не только на отдельные объекты в нашей Вселенной, как-то планетные системы, но и на всю Мультивселенную.

Если мы намерены объяснить значения фундаментальных констант в нашей Вселенной, в том числе и величину космологической постоянной, равной 1,38·10^-123 планковских единиц, то эта задача окажется неразрешимой просто потому, что фундаментального объяснения не существует. Дело в том, что подобно существованию множества планет с разными условиями, среди которых есть планета, на которой живем мы, потому что ее орбита обеспечивает благоприятные условия для жизни, существует много вселенных с разными значениями констант, но мы находимся во Вселенной, в которой эти значения определяют подходящие условия нашего существования. Нет никакого закона, определяющего их значения, они могут варьироваться и действительно варьируются от вселенной к вселенной, образующих мультивселенную.

Наше существование определяется тем, что мы находимся в той части Мультивселенной, в которой значения констант таковы просто потому, что мы не можем существовать в частях Мультивселенной с другими значениями констант. Убедительное объяснение значений фундаментальных констант в природе требует огромного выбора вселенных с разными значениями констант. Только тогда - в рамках концепции Мультивселенной - антропный принцип проявляет свою сущность как принцип отбора. Готовность принять антропный принцип зависит от того, насколько мы сильно верим в следующие три существенные предположения:

1. Наша Вселенная - это часть Мультивселенной;

1. В разных вселенных Мультивселенной константы находятся в широком диапазоне возможных значений;
2. Жизнь в известной нам форме невозможна при почти всех отклонениях от наблюдаемых значений констант. Даже небольшие отклонения от настоящих значений большинства фундаментальных констант в природе сделают жизнь невозможной.

Стивен Вайнберг поставил вопрос - зависит ли существование жизни от значения космологической постоянной? Исходя из того, что без галактик образование звезд и планет будет весьма сомнительным, то возникновение жизни не будет иметь никакого шанса. Поэтому акцент был перенесен на то, как разные значения космологической постоянной влияют на процесс образования галактик. В общих чертах процесс напоминает образование снежного кома в астрономических масштабах. Возникший сгусток вещества в силу своей повышенной плотности оказывает большое гравитационное притяжения на находящуюся поблизости материю, в результате чего ком увеличивается. Этот процесс нарастает, в результате образуется разогретая масса пыли и газа, из которой образуются звезды и планеты. Если космологическая постоянная будет иметь достаточно большое значение, то порождаемое космологической постоянной гравитационное отталкивание может оказаться настолько сильным, что составляющее ком вещество разлетится на начальной стадии его образования и процесс зарождения галактик будет прерван в самом начале.

Был рассмотрен также случай отрицательной космологической постоянной. Возникающее при этом гравитационное взаимодействие будет расти и заставит всю Вселенную схлопнуться до то того, как образуются звёзды.

Если теперь представить, что мы находимся в Мультивселенной, в которой значения космологической постоянной изменяются в широком диапазоне от вселенной к Вселенной, так же, как меняются расстояния от планет до их звезд, от одной солнечной системы до другой, то только Вселенные, в которых возможны галактики и, следовательно, мы можем жить, - это те вселенные, где космологическая постоянная не превышает предел Вайнберга, составляющий ~10^-121 планковских единиц.

Космологическая постоянная определяется средней плотностью энергии во Вселенной. Для нашей Вселенной данные, полученные в результате наблюдения сверхновых, приводят к значению космологической постоянной менее 10^-29 г/см³; в результате пересчета в планковских единицах дает значение 1,38·10^-123 планковская масса/кубический планковский объём.

Именно значение космологической постоянной, отличное от нуля, дает на сегодняшний день наиболее убедительное обоснование наблюдаемого ускоренного расширения нашей Вселенной.В полученном значении Вайнберг видел тот смысл, что мы находимся во вселенной, в которой космологическая

постоянная мала настолько, насколько необходимо, чтобы мы могли существовать, но не настолько меньше, чтобы наше существование стало невозможным.

Вайнберг предполагал, что однажды, с помощью более точных измерений, будет установлено, что космологическая постоянная не равна нулю, а имеет значение близкое с вычисленным им пределом. И действительно, спустя десять лет после работы Вайнберга, экспериментальные наблюдения подтвердили это пророческое предсказание. Для объяснения своего подхода Вайнберг полагал, что в мультивселенной должно быть так много вселенных, что среди них обязательно должна существовать (найтись) по крайней мере одна вселенная с наблюдаемым значением космологической постоянной. Ситуация напоминает обувной магазин, в котором есть все размеры, так что покупатель всегда найдет свой. Предположим, что так же и в мультивселенной все вселенные обладают разными космологическими константами со значениями между нулем и единицей (в обычных планковских единицах). Тогда число различных значений космологической постоянной с интервалом 10^-124 в диапазоне между 0 и 1 будет равно 10¹²⁴. Подобно тому, как в 1 метре будет 10³ отметок с интервалом 10^-3 метра. Поскольку возможны повторения - вселенные с одинаковыми значениями космологической постоянной, то для того, чтобы каждое значение космологической постоянной было реализовано наверняка, нужно, чтобы мультивселенная содержала гораздо больше вселенных, чем 10¹²⁴.

Вывод: подход Вайнберга для объяснения значения космологическойпостоянной требует, чтобы мультивселенная, в которой находимся мы со своей Вселенной, состояла из огромного числа различных вселенных, а их космологические константы должны принимать ~10¹²⁴ различных значений. Только при выполнении этого условия можно утверждать, что среди такого гигантского количества вселенных найдется одна с нашим значением космологической постоянной. Вопрос в том, есть ли теория, которая приводит к такому изобилию вселенных с разными космологическими константами?

Да, есть.Это теория струн,которая дает определение дополнительныхизмерений с учетом всевозможных пронизывающих их потоков и приводит к возникновению различных форм, общее число которых равно ~10⁵⁰⁰. Это намного больше, чем 10¹²⁴, даже с учетом возможных повторений.

Потоки внутри пространств Калаби-Яу обладают энергией, величина которой зависит от геометрии данного пространства. Два разных пространства Калаби-Яу с разными потоками, проходящими сквозь разные дырки, будут иметь разные энергии. Поскольку каждое пространство Калаби-Яу прикреплено к одной из точек трех обычных измерений пространства, то энергия в данном пространстве будет равномерно заполнять три больших измерения. Таким образом, какое бы из 10⁵⁰⁰ пространств Калаби-Яу не определяло геометрию дополнительных измерений, энергия, которой оно обладает, дает вклад в космологическую постоянную.

Расчеты показали, что различные космологические постоянные, к которым приводят ~10⁵⁰⁰ различных возможных пространств дополнительных измерений, равномерно распределены по широкому диапазону значений. Среди 10⁵⁰⁰ отметок космологических постоянных, распределенных в диапазоне от 0 до 1, найдется много со значениями, лежащими совсем рядом с теми, которые астрономы измеряют последний десяток лет.

Совместное действие инфляционной космологии с теорией струн озна-чает, что процесс вечной инфляции обеспечивает все 10⁵⁰⁰возможных форм дополнительных измерений пузырьками-вселенными, в которых реализуются все возможные физические свойства.

Конечно, набор из 10⁵⁰⁰ разных форм дополнительных измерений далек от той единственной вселенной, о которой мечтали физики, создатели теории струн. Однако анализ вопроса о космологической постоянной представляет ситуацию совсем в ином виде. Вместо того чтобы огорчаться, что, по всей видимости, единственность вселенной не получается, нам следует радоваться, ибо требование малости космологической постоянной приводит к существо-ванию огромного числа разных вселенных, значительно превышающего 10¹²⁴. Такую возможность обеспечивает теория струн, логическим результатом ко-торой является существование 10⁵⁰⁰ различных форм дополнительных измерений. Теория мультивселенной позволяет выделить те свойства, которые меня-ются от одной вселенной к другой. Наша Вселенная представляет стандарт для осуществления отбора. Вместо одной вселенной получили вечную и бесконечную мультивселенную, существование которой даёт новый подход к решению вопроса о происхождении нашей Вселенной.

Сильный вариант антропного принципа предполагает некое «принуждение», словно Вселенной присуща некая цель, состоящая в порождении человеческой жизни, и мы вовсе не случайны, а встроены в порядок вещей с самого начала.

Но человек, как существо, способное к пониманию, занимает во Вселенной действительно центральное положение для современной науки три суждения не вызывают особый сомнений:

ü человек – существо космическое;

ü человек познает Вселенную доступным ему образом;

ü в качестве познающего существа человек не имеет в космосе альтернативы.

Именно эти суждения и споры вокруг них дали слабый антропный принцип: то, что человек может наблюдать, ограничено условиями его существования и сильный антропный принцип: то, что на некотором этапе эволюции Вселенной допускается существование наблюдателей.

Сильный антропный принцип, по сути, за то, чтобы изучаемый космос должен соответствовать природе наблюдателей. Но долженствование – это этический феномен, где имеется возможность выбора или специального проекта. Для космологии как науки характерен не критерий долженствования, а критерий подтверждаемости. Космология дает картину того, что есть, а не того что должно быть.

Таким образом, сильный антропный принцип в космологии не является научным положением, он – результат подмены критерия подтверждаемости знания критерием долженствования знания.

Такая подмена в космологии приводит к мистификации научного знания в неадекватных, по сути дела, формулировках антропного и теистического принципов.

Различия в объяснении причин космической эволюции связаны в первую очередь с расхождением мировоззренческих установок. Существуют две концепции эволюции Вселенной:

ü концепция самоорганизации

ü концепция креационизма или теистического (от греч. Theos – бог) космологического принципа.

По первой концепции материальная Вселенная является единственной реальностью, в ней идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамический хаос порождает порядок. Эта концепция отвечает в большей степени слабому АП.

Согласно второй концепции, концепции творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяющей реальность более высокого порядка, чем материальный мир, т.е. Вселенная эволюционизирует по проекту космического Творца. Физическая структура Вселенной запрограммирована на появление жизни, на конечную цель космической эволюции – появление человека во Вселенной в соответствии с законами Творца.

Но астрономия и космология обнаружили немало закономерностей, и все они присущи не потусторонним силам, а самим космическим объектам и процессам.