Текст книги "Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)"

Автор книги: Максим Кронгауз

Соавторы: Владимир Сурдин,Александр Аузан,Сергей Попов,А. Алексенко,Ирина Прохорова,Лев Патрушев,Максим Скулачев,Константин Северинов,Татьяна Черниговская,Максим Либанов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Мир для нас

Физики и философы сформулировали так называемые антропные принципы[11]11
  Антропный принцип – представление о том, что невозможно наблюдать вселенную, в которой нет места наблюдателю. Подобные идеи предлагались разными авторами со второй половины ХХ века, но термин впервые сформулирован английским физиком Брендоном Картером в 1973 г. Наиболее афористичная формулировка принадлежит американскому физику Джону Уилеру: «Наблюдатель необходим, чтобы вызвать вселенную к бытию».


[Закрыть]. Один из них – сильный антропный принцип – гласит: «Законы Вселенной должны быть таковы, чтобы допускать развитие разумной жизни, которая эти законы формулирует». В действительности в такой формулировке этот принцип не несет никакой гносеологической нагрузки, то есть устанавливает границы нашего познания и эквивалентен признанию существования Великого Замысла или Великой Случайности. На мой взгляд, гораздо интереснее и содержательнее слабый антропный принцип: «Наблюдение данного набора значений мировых констант тем вероятнее, чем с большей вероятностью этот набор констант приводит к возникновению наблюдателей».

По сути слабый антропный принцип допускает, что во Вселенной могут быть разные места с разными значениями констант. То есть набор констант может отличаться от места к месту. Возможно, существует много вселенных, в каждой из которых реализуется свой набор констант. В таком случае наблюдатель существует только в той вселенной, где константы подобраны так, как было описано выше. Если бы значения констант были другие, такая вселенная была бы пуста, в ней не было бы наблюдателя – а значит, такие константы никто не может наблюдать, и мы в том числе. Выходит, что мир, который мы видим, потому таков, что в нем существуем мы. Это следствие того, что константы в нашей Вселенной подобрались единственно правильным образом. Соседняя вселенная, где константы будут чуть-чуть отличаться, окажется пустой. Без наблюдателя там некому будет задумываться и читать лекции о физических константах.

На самом деле существуют наблюдательные данные (хотя и не вполне подтвержденные), что постоянная тонкой структуры[12]12
  Постоянная тонкой структуры – безразмерная физическая константа, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия. Впервые введена в 1916 г. при описании спектра водорода. Приблизительное численное значение равно 1/137.


[Закрыть] изменилась за время существования Вселенной на стотысячные доли. Это может означать, что за космологическим горизонтом она тоже может отличаться, и гораздо сильнее.

Интересно, что слабую формулировку антропного принципа можно применять для того, чтобы что-то предсказывать, используя факт нашего существования как одно из наблюдательных данных.

Рассмотрим один пример. Ядра большинства химических элементов (все, что тяжелее гелия) образуются в звездах. Эти реакции происходят примерно так. При слиянии ядер водорода (термоядерной реакции) образуется гелий. Три ядра гелия сливаются в углерод. Концентрация гелия при этом падает, соответственно, падает и температура, и давление, противостоящее гравитации. Далее гравитация начинает сжимать звезду, и температура снова растет. Начинается следующий этап реакции, и возникает новый элемент: слияние углерода и гелия дает кислород. Такие звездные циклы повторяются в звезде много раз и вырабатывают все вещество, которое мы видим. Считается, что когда-то на месте нашего Солнца была другая, более крупная звезда, которая перегорела, взорвалась как сверхновая, а из рассеянного взрывом вещества образовались Солнце и наши планеты. Все наше богатство химических элементов – продукт жизнедеятельности этой древней звезды. Железо, кислород и кремний, из которых в основном состоит Земля, – просто наиболее энергетически выгодный финальный продукт слияния ядер в недрах этой протозвезды.

Если взглянуть на график зависимости энергии ядерной связи от порядкового номера элемента в таблице Менделеева, видно, что железо – действительно наиболее вероятный продукт звездного горения. Золото куда дальше от оптимума, поэтому золото в нашей Вселенной будет редким элементом.

В описанном достаточно стройном сценарии образования химических элементов есть одна проблема: для того чтобы образовались тяжелые элементы, необходимо, чтобы образовался углерод – так называемое углеродное горлышко. Но реакция слияния гелия в ядро углерода идет очень плохо. Чтобы пошла эта реакция, нужно, чтобы три ядра гелия одновременно оказались в одной точке. Интуитивно ясно, что это очень маловероятно. Вероятность того, что два ядра окажутся в одной точке, велика, но практически невероятно, что и третье ядро окажутся в той же точке. К 1952 году стало ясно, что эта реакция крайне маловероятна, а других реакций, приводящих к образованию углерода, просто не было. С другой стороны, мы существуем: наше существование можно рассматривать как экспериментальный факт, из которого следует, что углерод должен существовать. Исходя из этого факта, Фред Хойл в 1953 году предсказал, что должен быть резонансный энергетический уровень ядра углерода, благодаря которому реакция становится возможной. В предсказании фигурировало значение 7,7 МэВ, а уже год спустя этот уровень действительно был открыт, и оказался чуть меньше, 7,66 МэВ, – поразительное совпадение (МэВ = 106 эВ – единица измерения энергии в ядерной физике).

Фред Хойл – 1915–2001 – Британский астроном, внесший большой вклад в представления об эволюции звезд. Первым употребил термин «Большой взрыв», хотя сам придерживался альтернативной – стационарной – модели Вселенной.

Резонанс – это очень простая штука, которую мы постоянно наблюдаем и используем. Например, качаясь на качелях, нужно вовремя подгибать и разгибать ноги. Вовремя – значит, нужно попасть в такт. Попадание в такт и есть резонанс. Если вы правильно дозируете свои усилия, увеличивается амплитуда колебаний. Если такой резонансный уровень имеется у ядер углерода, если энергия трех ядер подбирается правильным образом и попадает в резонансные пики, то реакция идет хорошо. Если же нет, то она идет плохо. Оказалось, что в случае производства углерода без резонанса не обойтись.

Но это еще не вся история. Следующая реакция – это переработка углерода и гелия в кислород – она уже не резонансная. Оказалось, что резонанс у кислорода на десятые доли процента отличается от суммарной энергии углерода и гелия. Если бы эта реакция была резонансной, то перегорел бы весь углерод. В природе не было бы углерода, а были кислород и более тяжелые элементы. Возможно, была бы кремниевая жизнь. Но наша жизнь углеродная – тоже поразительный факт. Вновь все решило тонкое соотношение чисел.

Другая проблема, к решению которой можно подойти с точки зрения антропного принципа, связана с так называемой космологической постоянной. Те, кто интересуется или посматривает на странички интернета, связанные с физикой, возможно, слышали о темной энергии и космологической постоянной. Проблема состоит в следующем. В обычной ньютоновской механике энергию можно отсчитывать от любого уровня: от уровня моря, от стола, от пола – от чего угодно, важна только разность энергий. Это справедливо для всех физических теорий, кроме единственной: теории гравитации Эйнштейна. Из знаменитой формулы E = mc² следует, что энергия есть масса, способная притягивать другую массу, и это притяжение зависит не от разности энергий, а от их абсолютного значения. А значит, очень важно, от какого уровня мы будем отсчитывать энергию во Вселенной. У вакуума – состояния с наименьшей энергией – совсем не обязательно будет энергия, равная нулю. Эта энергия вакуума называется космологической постоянной и обозначается буквой Λ. Она вносит вклад в общую плотность энергии во Вселенной, а от значения этой плотности зависит, будет ли Вселенная расширяться бесконечно или, наоборот, схлопнется в точку.

Космологическая постоянная могла бы быть равна нулю – это было бы красиво. Такое значение космологической постоянной можно было бы объяснить некоторой (пока еще неизвестной) симметрией. Однако если предположить, что нет механизмов, обращающих в ноль космологическую постоянную, то простая размерная оценка показывает, что в этом случае ее наиболее «естественное» значение на 120 порядков (на единицу со ста двадцатью нулями!) превосходит плотность материи[13]13
  Плотность материи во Вселенной – фундаментальная величина, от которой зависит геометрия пространства и конечность либо бесконечность Вселенной. При критической плотности пространство евклидово, а Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Космологические наблюдения показывают, что сумма плотности вещества, темной материи и темной энергии (энергии вакуума, о которой говорит автор) составляют величину, равную или очень близкую к критической плотности.


[Закрыть] во Вселенной. Будь космологическая постоянная на самом деле такой, Вселенная мгновенно раздулась бы до гигантских размеров. Настолько гигантских, что плотность вещества стала бы меньше одного нуклона на всю видимую часть Вселенной. Ясно, что ни о какой жизни в такой Вселенной не может идти и речи.

В 1987 году нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, исходя из антропного принципа, а именно опираясь на факт существования галактик, показал, что если космологическая постоянная отлична от нуля, то она не может сильно превышать плотность материи во Вселенной. В противном случае галактики просто не смогли бы образоваться, не было бы звезд и не было бы космологов.

Стивен Вайнберг – род. 1933 – Американский физик, лауреат Нобелевской премии (вместе с Шелдоном Ли Глэшоу и Абдусом Саламом) за создание объединенной теории электрослабого взаимодействия. На русском языке изданы научно-популярные книги Вайнберга «Первые три минуты» и «Мечты об окончательной теории».

В 1998 году, наблюдая за сверхновыми типа Ia, две группы астрофизиков независимо друг от друга открыли, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется ускоренно. В дальнейшем этот факт был подтвержден другими независимыми наблюдениями, и в 2011 году это открытие было отмечено Нобелевской премией. Почему так важен этот факт, что ученые, обнаружившие его, были удостоены такой высокой награды? Дело в том, что любая «обычная» материя (и темная, и барионная, способная взаимодействовать со светом) не может привести к ускоренному расширению Вселенной. Расширение если и будет, то замедленным. Только субстанция с необычными свойствами (отрицательным давлением, а давление в теории гравитации тоже весит) может привести к ускорению. Такую субстанцию называют темной энергией (не путать с темной материей – веществом, не взаимодействующим со светом и, следовательно, невидимым для нас). Частным случаем темной энергии является космологическая постоянная. Частным, потому что в общем случае темная энергия может быть динамической, то есть зависеть от времени. В настоящее время нет никаких достоверных свидетельств, что темная энергия является динамической, а все имеющиеся наблюдательные данные прекрасно отражаются в рамках модели CDM – модели, описывающей эволюцию Вселенной, в которой роль темной энергии играет космологическая постоянная. (Аббревиатура CDM означает Cold Dark Matter – «холодная темная материя» – еще одна компонента, дающая вклад в полную плотность энергии во Вселенной и необходимая для правильного описания эволюции последней). Кроме того, из наблюдательных данных удалось извлечь значение космологической постоянной: оно оказалось в три раза больше плотности энергии вещества и близко к значению, предсказанному Вайнбергом! При этом суммарная плотность энергии такова, что наше пространство остается плоским и евклидовым, оно не сжимается в точку и не расширяется слишком быстро. Мы видим, что и здесь тоже налицо тонкая настройка параметров, делающая мир вполне пригодным для нашего с вами проживания.

«По всей видимости, жизнь вообще не смогла бы организоваться и существовать при числе измерений, отличном от трех, и нам с нашими тремя измерениями повезло».

Максим Либанов

Разные миры

Слабый антропный принцип допускает (и предполагает) существование либо разных частей с разными константами в нашей Вселенной, либо существование разных вселенных. На самом деле это напоминает то, что предлагал Джордано Бруно: множественность миров. Хотя Бруно и говорил о планетах, современным физикам планет мало, они говорят о вселенных. Можно спросить, где эти вселенные, но лучше спросить, где и когда эти вселенные. Один из вариантов такой: Вселенная циклически сжимается и расширяется, чуть-чуть меняя свои параметры в каждом цикле. Рано или поздно она приходит в такой цикл, где параметры подбираются такими, какими мы их видим, – такими, которые допускают появление нас с вами. Соответственно, мы появляемся и описываем увиденное нами в созданных нами теориях.

Другой вариант множественности миров – то, что называется вселенными Эверетта. Это чисто квантово-механический эффект, эффект наблюдателя. В квантово-механической картине мира физический закон предсказывает не точный исход процесса, а лишь вероятность разных исходов. Лишь в момент наблюдения природа «выбирает», в какой точке пространства мы увидим электрон или в какой момент времени зафиксируем распад нейтрона. В 1957 году Хью Эверетт предположил, что в момент наблюдения (то есть фактически в каждый момент времени) история Вселенной расщепляется на множество вариантов, соответствующих каждому из возможных результатов наблюдения. А значит, буквально «рядом» существует другой мир, где мы все делаем чуть-чуть по-другому, причем таких миров бесконечно много.

Хью Эверетт – 1930–1982 – Американский физик, автор «многомировой» интерпретации квантовой механики (1957). После защиты докторской диссертации оставил физику, не встретив поддержки коллег.

Третий вариант множественных миров связан с теорией инфляции[14]14
  Теория космической инфляции – научная гипотеза, снимающая некоторые трудноразрешимые космологические парадоксы, в том числе «проблему горизонта» и евклидовость нашего пространства. Предложена в 1981 г. американским физиком Аланом Гутом, усовершенствована физиками российского происхождения Андреем Линде и Алексеем Старобинским.


[Закрыть]. В ее основе – очень хорошо согласующаяся с наблюдениями идея, что на начальном этапе эволюции наша Вселенная претерпела очень быстрое расширение. Произойти это могло из-за того, что на самом элементарном уровне наше пространство динамично, оно постоянно меняется за счет квантовых осцилляций. На расстояниях порядка планковской длины пространство схлопывается, образуется и снова схлопывается. Образуется так называемая пространственно-временная пена. Но иногда, с небольшой вероятностью, возникают очень большие флуктуации, больше планковской длины. Пузырек такого нового пространства вместо того чтобы схлопнуться, начинает раздуваться. Стадия быстрого раздувания называется инфляцией и происходит очень быстро, за 10–35 секунд. Из таких пузырей и образуются различные вселенные. Их может быть много, и в каждой из них могут быть свои законы.

Что находится между этими вселенными? Ничего. Вообще ничего. Там нет пространства и даже нет времени. Инфляция происходит с самим пространством. Между вселенными – возможно, квантовая пена, о которой физика пока не может сказать ничего определенного, потому что там ничего нет, в том числе и физики.

Наконец, один из вариантов множественных миров предлагает теория струн, в которую прекрасно вписывается инфляция. Эта теория возникла для того, чтобы снять противоречия между квантовой механикой и теорией гравитации. Электроны, фотоны, гравитоны, весь зоопарк частиц – это колебания струны. В теории струн есть всего одна константа связи вместо тех, которые мы знаем (в настоящее время их чуть больше двадцати). Была (и остается) надежда, что из этой константы можно будет получить все остальные константы и они будут такие, как надо. Это была бы действительно фундаментальная теория, объясняющая все на свете.

Однако оказалось, что уравнения этой теории приобретают смысл лишь в том случае, если число измерений пространства-времени – не четыре, а десять. Почему мы видим лишь три пространственных измерения и одно временное? Потому что лишние измерения «свернуты» в многомерные поверхности ничтожно малого размера, подобно тому как свернуто в кольцо одно из измерений (поперечное) на двумерной поверхности шланга. От того, как именно устроены эти поверхности, зависят конкретные предсказания теории о нашей Вселенной.

Выяснилось, что число способов прийти от десяти измерений к нашим трем варьируется от 10 100 до 10 500. Возможно, их даже больше, вплоть до бесконечности. Каждому такому переходу, каждому типу такого перехода будет соответствовать своя вселенная со своим набором констант связи. Они будут либо раздуваться, либо схлопываться, они могут быть пустые. Вероятность найти среди них вселенную, где образуются звезды и галактики, условно говоря, будет порядка 10 – 500 степени, то есть почти нуль. Если почти нулевое число умножить на почти бесконечность, получится «немножко» вселенных, в которых бывает жизнь и бывают разумные особи, удивляющиеся тому, как устроен мир.

Может показаться, что все это бред сумасшедшего или фантазии ученых, что никакой практической пользы от этого не может быть. Есть, однако, одна история, связанная с величайшим физиком XX века Эрнестом Резерфордом. Этот человек открыл альфа– и бета-излучение, обнаружил протон, доказал, что атом устроен планетарным образом – что электроны вращаются вокруг ядра, – и сделал еще массу других открытий, каждое из которых могло бы быть удостоено Нобелевской премии по физике. Сделав как никто много для ядерной физики, Резерфорд в 1933 году сказал: «Каждый, кто надеется, что преобразование атомных ядер станет источником энергии, исповедует вздор». Как теперь ясно, он сильно ошибался: до атомного взрыва в Хиросиме оставалось всего двенадцать лет.

Эрнест Резерфорд – 1871–1937 – Английский физик, заложивший основы теории строения атома. Лауреат Нобелевской премии 1908 г.

Конечно, никто сейчас не может дать гарантии, что открытие, например, ненулевой космологической постоянной принесет в обозримом будущем какую-то практическую пользу. Но совершенно очевидно, что никакой пользы точно не будет, если не задаваться вопросами, поставленными в этой лекции, если не пытаться понять, как и почему так, а не иначе, устроен наш мир. Именно поэтому тратятся немалые средства на проведение исследований в области фундаментальной физики. Именно поэтому на Большом адронном коллайдере (по разным оценкам, стоимость от 6 до 10 миллиардов долларов) разработана целая программа по поиску подтверждений теории струн. Ищут квантовые черные дыры, которые могут появиться в некоторых моделях, ищут проявления дополнительных измерений. Возможно, нам повезет и мы найдем подтверждения теории струн, возможно, мы удостоверимся в существовании других вселенных и, возможно, когда-нибудь будет найден способ сделать туннель в другую вселенную. И когда наша Вселенная рано или поздно умрет (а это случится почти наверняка хотя бы из-за ненулевой космологической постоянной), мы сможем перебраться в новый мир, и разум не погибнет вместе с нашей Вселенной.

…Или не сможем – время покажет, как на самом деле устроен мир.

Сергей Попов. Истории из жизни звездного неба

Сергей Попов – Астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ) МГУ.

Одному довольно известному политическому деятелю приписывается высказывание: «Искусство должно быть понятно народу». Но история показала, что искусство никому ничего не должно: оно идет своим путем – кто-то идет с ним, а кто-то не идет. На мой взгляд, с наукой в ХХ веке получилось как с искусством. Каждый из них шел своим путем, а в результате как современное искусство, так и современная наука многим сегодня непонятны. В искусстве я ничего не понимаю, но науку могу сделать немножко понятнее.

Если взять науку и искусство какого-нибудь XVII века, мы оказываемся на очень комфортном нулевом уровне понимания. Вы подходите к картине Боттичелли и видите, что это просто красиво. Подойти к произведению современного актуального искусства и сказать, что это красиво, можно в очень редких случаях. С наукой произошло примерно то же самое. Нет ничего удивительней, чем посмотреть в телескоп на Сатурн. Если не смотрели, то посмотрите. Или рассмотреть в микроскоп каких-нибудь инфузорий – это потрясающе. Это такой же нулевой уровень понимания, такой же условный «ах!».

История открытия колец Сатурна сама по себе очень интересна. Вообще говоря, кольца Сатурна в первые телескопы видно было плохо. Галилей[15]15
  Галилео Галилей – 1564–1642 – Итальянский физик, математик и астроном. Важнейшее открытие Галилея – принцип относительности движения, который лег в основу всех последующих теорий устройства мироздания. Галилей первым наблюдал фазы Венеры, горы на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце и кольца Сатурна.


[Закрыть] увидел, что Сатурн не круглый. Все думают, что Чебурашку придумал Успенский, но это был Галилей. Он посмотрел на Сатурн и увидел нечто похожее на Чебурашку – диск с ушами. Галилей был крайне рациональный человек: он никому не стал рассказывать об увиденном, но оставил зашифрованное сообщение, чтобы потом можно было отстоять приоритет. А когда через какое-то время с помощью более качественного телескопа снова посмотрел на Сатурн, чтобы получше разглядеть, – ничего не увидел и подумал, что померещилось. Еще через несколько десятилетий с помощью еще более мощных телескопов были открыты кольца Сатурна, но это сделал уже не Галилей. Дело в том, что на Сатурне, как и на Земле, есть времена года. В зависимости от угла мы видим кольца красивыми, как привыкли видеть на картинке, или с ребра – и тогда ничего не видно.

В современной научной статье очень редко можно увидеть изображения (если там вообще есть изображения), которые бы вызвали пресловутый «ах!». Скорее это будет нечто больше похожее на «ууу…»: это непонятно и не всегда красиво.