Фундаментальные физические константы и антропный принцип.

Для понимания антропного принципа важно уяснить одно существенное обстоятельство: он был выдвинут вне всякой связи с проблемой существования разумной жизни или исследованием места человека во Вселенной. Физиков, занимающихся космологией, интересовали совсем другие 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 привел к установлению связи между существованием наблюдателя и наблюдаемыми свойствами Вселенной. Проиллюстрируем это несколькими примерами.

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 > 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/R^3-1, 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: F_N = a_N/R^N-1. Анализ характера движения под действием такой силы (Эренфест, 1917 г.) показал, что при N > 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 r_c. Если средняя плотность вещества во Вселенной r < r_c, то кривизна пространства отрицательна, Вселенная неограниченно расширяется; при r > r_c кривизна положительна, мир замкнут, расширение сменяется сжатием; при r = r_c кривизна пространства равна нулю - геометрия мира евклидова. Критическая плотность r_c = 10^-29. Средняя плотность "светящегося" вещества, полученная из наблюдений, меньше r_c, 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 r_c. Итак, во Вселенной удовлетворяется соотношение r ~ r_c. Такое совпадение удивительно, ибо плотность, вообще говоря, может иметь произвольное значение. Как это объяснить? Средняя плотность связана со скоростью расширения Вселенной. Если r << r_c, Вселенная расширяется слишком быстро, и в ней не могут образоваться гравитационно-связанные системы - галактики и звезды, которые необходимы для жизни. Если r >> r_c, 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 ~ r_c не выполнялось, то жизнь в такой Вселенной была бы невозможна. Следовательно, средняя плотность вещества во Вселенной тоже оказывается жизненно-важным фактором, а условие r ~ r_c - 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. Аналогичные выводы можно сделать в отношении анизотропии 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 H_o 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. По существу, в предыдущих примерах, обращаясь к обитаемой Вселенной, мы неявно использовали этот принцип. 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 < Ts, то к моменту Tо в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если Tо > 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 a_g, слабого a_w электромагнитного a_e и сильного a_s, а также массы основных элементарных частиц: протона m_p, нейтрона m_n и электрона m. Другие фундаментальные константы, такие как постоянная Планка h, 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. Результаты подробно изложены в книге И.Л.Розенталя. Он рассматривает константы a_g, a_w, a_e, a_s, m_p, m_n, m_e. 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.

Имея в виду применение антропного принципа для предсказания различных параметров, Картер выделил две различные формулировки: слабый антропный принцип и сильный антропный принцип. Слабый АП он сформулировал таким образом: "наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием во Вселенной". Сильный АП гласит: "Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит), должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей".

Рассмотрим, прежде всего, различие между слабым и сильным АП. Оно состоит в следующем. Слабый АП применяется к параметрам, которые зависят от современного возраста Вселенной. Сильный АП применяется к параметрам, которые от возраста не зависят. При применении слабого АП речь идет о положении человека во временной шкале.

Картера пытается соединить сильный АП с гипотезой ансамбля миров. В этой гипотезе постулируется потенциально бесконечное множество физически изолированных друг от друга миров, в которых в результате некоего стохастического процесса актуализируются все возможные комбинации фундаментальных параметров. В этом множестве тогда обязательно найдутся вселенные с благоприятным устройством, способные породить разумную жизнь и осознать себя посредством нее на некотором этапе эволюции. Все такие вселенные образуют "познаваемое подмножеством миров". Другие вселенные "непознаваемы" в силу своей стерильности - в них просто отсутствуют "инструменты" познания - субъекты-наблюдатели. Тем самым деликатная проблема объяснения тонкой подстройки, очевидно, снимается. Ведь, если в ансамбле вселенных реализуются все представимые типы физического устройства, то существование хотя бы одного мира с благоприятным для эволюции жизни и разума набором параметров становится вполне тривиальным и для объяснения того, почему мы оказались именно в этом мире, достаточно применить (сильный) АП, исключающий наше появление в любом другом мире.

В современной физике, впрочем, имеются независимо возникшие идеи, очень близкие по смыслу к тому, что подразумевается в картеровской гипотезе ансамбля. В 1957 году Х.Эверетт предложил "многомировую" интерпретацию квантовой механики, в соответствии с которой в результате взаимодействия квантовой системы с прибором происходит не редукция волновой функции, как в стандартной копенгагенской интерпретации, а одновременная реализация всех возможностей, определяемых набором собственных состояний системы. Формализм теории требует интерпретировать это событие как "расщепление" Вселенной на множество в одинаковой мере реальных вселенных, различающихся лишь исходом данного взаимодействия и состоянием сознания наблюдателя, его зафиксировавшего. Физическая Вселенная, таким образом, непрерывно "ветвится", порождая все новые экземпляры полностью изолированных друг от друга миров. Наблюдатель, однако, в каждый момент находит себя лишь в одном мире и не подозревает о существовании остальных.

Картер апеллировал к многомировой интерпретации квантовой механики как к некоему прецеденту, свидетельствующему по крайней мере о принципиальной возможности физического воплощения идеи множественности миров. Другие авторы считают, что в интерпретации Эверетта уже содержатся все предпосылки для наделения физическим смыслом гипотезу ансамбля вселенных с различными физическими устройствами. Заметим, что сам Эверетт ничего подобного не предполагал. Напротив, все вселенные Эверетта подчиняются одним и тем же законам (квантовой механики, как минимум). Но за 30 лет физика далеко шагнула вперед, и сегодня предположение об эвереттовских вселенных с различными законами если и выглядит "сумасшедшим", то ровно настолько, чтобы считаться заслуживающей внимания гипотезой.

Другую возможность дают современные "инфляционные" сценарии эволюции, допускающие существование в нынешней Вселенной причинно разделенных областей, в которых могли реализоваться различные типы фундаментальных симметрий вследствие фазовых переходов, осуществившихся на начальных этапах эволюции. Вся астрономическая Вселенная представляет собой в этой схеме лишь малую часть одной из таких областей, благодаря чему выполняется условие полной причинно-следственной изолированности этих областей.

Теперь обратим внимание, что в соединении с той или иной концепцией ансамбля миров сильный АП Картера становится чем-то похожим на слабый АП, - не по содержанию, но по способу использования в научной аргументации. В самом деле, в слабом случае АП производит "отбор" эпохи и места во Вселенной, пригодных для жизни. В сильном случае "отбирается" целая жизнеобеспеченная Вселенная из ансамбля миров. Мы полагаем поэтому, что именно к этим двум версиям антропных аргументов в полной мере подходит термин "принцип самоотбора", сформулированный Картером еще в 1973 году следующим образом: "То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей".