Почему мы вообще существуем?
Любим Ваши ЛАЙКИ!
Почему мы вообще существуем?
Недавнее обнаружение гравитационных волн, вызванных тем Большим взрывом, в ходе которого родилась наша вселенная, вызвало свои волны в кругах астрофизиков и космологов. Одни бурно приветствовали новое открытие, заявляя, что оно окончательно доказало реальность инфляции (так называется постулируемое теорией стремительное расширение вселенной после Большого взрыва).
Другие призывали к осторожности, указывая, что обнаруженные волны могли быть частично обусловлены какими-то другими факторами, а не только инфляцией. Одни объявляли, что эти результаты окончательно похоронили чуть не все альтернативные теории, выдвигавшиеся для объяснения наблюдаемых свойств вселенной, другие предостерегали от излишней поспешности, призывая сначала «надежно доказать» несостоятельность возможных альтернатив. На этом общем взволнованном фоне особенно интересным было выступление одного из ведущих современных космологов Андрея Линде из Стэнфордского университета.
Приветствуя новое открытие, он заявил, что оно не только «снимает с обсуждения 90 процентов всех других моделей инфляции», но и «отлично согласуется с теорией хаотической инфляции», то есть с той теорией, которую сам Линде разработал около 30 лет назад. Слова Линде не случайно вызвали особый интерес всех его коллег. Дело в том, что если дальнейшие проверки и в самом деле подтвердят реальность именно хаотической инфляции, это будет означать, что космология сумела наконец решить мучительный и фундаментальный вопрос, на который она вот уже многие десятилетия не могла дать удовлетворительного ответа.
Вопрос этот, как вы сейчас убедитесь, фундаментален и для нас, простых любознательных людей, потому что в самом примитивном виде он звучит так: почему мы вообще существуем?
Сейчас поясню. Уже в середине прошлого века было подмечено, что основные физические константы (например, заряд электрона, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения и ряд других фундаментальных величин) крайне точно подогнаны к тому, чтобы во вселенной могла существовать жизнь в том виде, в каком мы ее знаем.
Существуют и многочисленные другие примеры такой тонкой подгонки законов природы под нужды антропоса, то бишь человека. Скажем, наша жизнь основана на углероде, а углерод, как показало изучение процессов образования химических элементов, не мог бы появиться во вселенной, если бы энергетические уровни в атомах более легких, чем углерод, элементов отличались даже на миллиардные доли от того, что есть на самом деле.
Другой пример, уже из геометрии пространства: для возникновения и развития жизни нужны планеты, обращающиеся вокруг своих звезд по закону тяготения. А общая теория относительности показывает, что в пространстве двух измерений тяготение было бы слишком слабым, чтобы удержать планеты около звезд, а в пространстве четырех и более измерений тяготения не может быть вообще.
Для антропоса остается только то пространство трех измерений, которое мы и видим вокруг себя. И таких примеров великое множество. Интересующихся отошлю к замечательной книге Барроу и Типплера «Космологический антропный принцип».
Как же объяснить такую тонкую подгонку? Еще в 1973 году известный астрофизик Брэндон Картер, выступая на краковской конференции в честь 500-летия со дня рождения Коперника, сформулировал возможный ответ на этот вопрос. Этот ответ получил название «антропный принцип». Он утверждает, что вопреки прежнему (коперниканскому) мнению, будто местоположение Земли в космосе ничем не отличается от всех других возможных мест во вселенной, на самом деле, говорит Картер, «ее положение, хотя и не обязательно центрально, все же до некоторой степени особо».
[ad2][/ad2]
В чем же состоит эта особость? В том, что во всей окружающей видимой нам части вселенной законы и константы природы в точности таковы, какие нужны для возникновения жизни и антропоса как ее «венца».
Иными словами, мы появились в таком особом (с нашей точки зрения) месте вселенной, где мы только и могли появиться. Если предположить, что во вселенной есть много других уголков, которые мы не видим, то вполне возможно, что там законы и константы природы иные, жизнь и человек не могли бы там появиться, и поэтому там никто не может удивляться, почему вокруг него законы природы таковы, что исключают его появление.
Таким образом ответ на наш фундаментальный вопрос сводится к тому, что мы существуем, потому что по некой невероятно счастливой случайности в нашей части вселенной сложились в точности такие законы и константы природы, которые оказались идеально подогнаны под возможность нашего появления.
Эта формулировка антропного принципа позже получила название слабой, потому что возможно высказать и более сильное утверждение, которое называется сильным антропным принципом. Согласно этому принципу, никаких иных частей или мест во вселенной нет – она вся и сразу возникла такой, что ее законы и константы повсюду одинаковы и повсюду точно подогнаны под возможность появления жизни и разума. Это звучит более логично, чем утверждение о «разных местах» вселенной с «разными законами» (с чего бы вдруг?!). Но в таком виде антропный принцип сильно напоминает рассказы о нарочитом (божественном?) сотворении всей вселенной ради человека, и поэтому большинство ученых решительно отказывались его принять. Тем не менее факт тонкой подгонки был налицо и требовал себя объяснить. Линде был одним из немногих, кто попытался всерьез, то есть с помощью строгих теоретических выкладок, проверить: а не могут ли и впрямь существовать такие сценарии рождения вселенной, которые объясняли бы эту подгонку?
Напомню, что исходный сценарий Большого взрыва родился почти сразу после создания Эйнштейном общей теории относительности, связавшей гравитацию со свойствами пространства и времени. Эйнштейн полагал, что вселенная вечно находится в стационарном состоянии, а гравитация всех ее тел друг к другу уравновешивается неким распирающим полем (сегодня его называют полем темной энергии).
Но уже через несколько лет «Хаббл» открыл, что вселенная на самом деле расширяется (все галактики удаляются друг от друга) с некой небольшой, но заметной скоростью, как будто все эти галактики некогда получили какой-то первоначальный толчок и продолжают двигаться по инерции (сегодня известно, что поле темной энергии даже ускоряет это движение). Этот первоначальный толчок как раз и получил название Большого взрыва (астрофизик Хойл насмешливо окрестил его Биг Бэнгом — «Большой хлопушкой»).
Теория Большого взрыва очень хорошо описывала рождение и развитие вселенной. Она утверждала, что вселенная возникла как комок предельно раскаленной и плотной плазмы, который постепенно расширялся (вместе со своим пространством) и постепенно остывал.
Первоначально его материю нельзя было разделить на вещество и энергию, но по мере остывания в нем начали появляться (отделяться друг от друга) силовые (энергетические) поля – ядерное, слабое, электромагнитное, и вместе с ними начали появляться соответствующие им частицы – кварки, электроны, нейтрино и т. п. А затем наконец (теория указывала, что примерно через 380 тысяч лет после взрыва) вселенная остыла настолько, что кванты энергии уже не разбивали новорожденные атомы, и тогда вещество выпало из общей плазмы.
[ad2][/ad2]
Между атомами осталась пустота (вакуум), которая была заполнена электромагнитным излучением огромной интенсивности. Атомы стали слипаться в комки вещества (со временем образуя первые звезды и галактики), а остаточное излучение продолжало остывать, то есть из очень коротковолнового становиться все более длинноволновым (как за счет потери энергии в столкновениях с веществом, так и в результате растягивания волн из-за продолжавшегося расширения пространства), и к настоящему времени остыло до 3 градусов Кельвина (длина его волн составляет уже несколько миллиметров). Его назвали остаточным, или реликтовым космическим излучением.
Эта стройная и впечатляющая картина была блестяще подтверждена, когда Пензиас и Вильсон обнаружили именно такое излучение с температурой 2,7 Кельвина и идущее к Земле со всех сторон неба, то есть заполняющее всю вселенную. Но вместе с подтверждением пришел очередной вопрос, потому что оказалось, что это излучение однородно, то есть имеет одну и ту же температуру во всех направлениях, то есть во всей вселенной. Как это может быть? Теория говорит, что Большой взрыв произошел 13,7 млрд лет назад. Значит, реликтовое излучение образовалось примерно 13.3 млрд лет назад.
Самые далекие точки, от которых этот свет может прийти к Земле сегодня, могут находиться от нее на расстоянии 13,3 светового года, а это значит, что расстояние между двумя такими точками в противоположных сторонах неба составляет 26,6 млрд световых лет. Никакая энергия не могла перейти из одной такой точки в другую, потому что для этого ей понадобилось бы двигаться с удвоенной скоростью света, что невозможно. А между тем измерения Пензиаса и Вильсона показали, что эти две точки испускают остаточное излучение одной и той же температуры, а значит, находятся в состоянии теплового равновесия.
Эта странность была названа проблемой горизонта (потому что обе вышеназванные точки находятся на краю, или на горизонте сегодняшней вселенной). В попытке решить эту проблему Алан Гут в 1981 году выдвинул идею инфляции (английское inflation переводится также, как «раздувание», «напухание»), согласно которой исходный сгусток плазмы, возникший в результате Большого взрыва, был небольшим, и потому все его части могли, обмениваясь энергией, прийти к одинаковой температуре.
А затем за чудовищно короткое время (10 в минус 35-й степени секунды) произошло короткое, но чудовищно быстрое раздувание пространства вселенной, которое увеличилось до его нынешних видимых размеров (10 в 23-й степени км). Представить себе эти цифры наглядно не стоит и стараться. Скорость этой инфляции невообразимо превосходила скорость света (что, однако, не нарушало принцип предельности скорости света, потому что тут не было передачи сигнала через пространство, а происходило расширение самого пространства).
И конечно, за это время все части вселенной не могли изменить свое состояние, а потому повсюду остались в состоянии теплового равновесия друг с другом.
[ad2][/ad2]
Инфляционная теория Гута решила не только проблему горизонта. Одновременно она объяснила, почему наблюдаемая вселенная представляется нам в среднем (то есть на очень больших расстояниях) практически однородной и плоской (то есть такой, в которой выполняются законы геометрии Евклида, а не, скажем, законы сферической геометрии Римана или гиперболической геометрии Лобачевского).
Грубо говоря, инфляция «раскатала» свернутый «ковер» вселенского пространства, убрав самые мельчайшие отклонения от плоскости и сделав его евклидовым, а саму вселенную – однородной.
Замечу строгости ради, что в наше время открытие темного вещества, которого во вселенной в несколько раз больше, чем обычного, заново поставило перед учеными проблемы плоскостности и однородности, поскольку оказалось, что темное вещество распределено в пространстве иначе, чем обычное, видимое. Это породило новые, более сложные инфляционные теории, но к истории антропного принципа в космологии они отношения не имеют.)
Что же было первопричиной Большого взрыва и последующей инфляции? По Гуту, все началось с квантовых флуктуаций вакуума. Грубо говоря, в квантовой физике вакуум — не пустота, а особое состояние некого поля, в котором могут происходить колебания энергии. Одно такое колебание на короткое время увеличивает энергию поля, и тогда возникает неустойчивое состояние, именуемое ложным вакуумом.
Такое состояние крайне быстро распадается, то есть возвращается к норме, но при определенных условиях участочек пространства, в котором возник, а затем распался ложный вакуум, может воспользоваться появившейся в нем вдруг энергией для своего бешеного расширения, проще говоря – для инфляции. По Гуту, именно такой процесс породил наблюдаемую нами вселенную, причем произошел он в таком микроскопическом, а потому однородном и равновесном участке, что возникшая из него вселенная тоже получилась, как мы уже говорили, однородной и равновесной.
Более того, исходный участок был так мал, что и законы физики в нем были повсюду одинаковы – вот и в мгновенно раздувшейся вселенной они остались одинаковыми повсюду. А то, что при этом они оказались благоприятными для появления жизни и разума, — это уже чистая случайность. Ответ, в сущности, повторяет сильный антропный принцип, подводя под него строгую научную основу.
Такой вывод был неприемлем для Линде, и он попытался обобщить теорию Гута. Он отбросил его предположение о микроскопичности, а потому и однородности того исходного участка, где возник ложный вакуум, и исследовал (теоретически, конечно), что произойдет, если рассмотреть достаточно большой участок пространства, который заведомо не может быть ни однородным, ни энергетически равновесным.
Расчеты привели его к необыкновенно интересным результатам. Оказалось, что в этом случае квантовые флуктуации ложного вакуума могут происходить в разных местах этого участка в разное время и с разной интенсивностью. Из-за этого одни места будут раздуваться с инфляционной скоростью, а другие либо не будут расширяться вообще, либо прекратят расширяться на ранней стадии. Возникнет не одна-единственная вселенная, как в теории Гута, а целая гроздь вселенных, каждая величиной с гутовскую единственную.
[ad2][/ad2]
А поскольку эта гроздь вселенных (по сходству с universe Линде назвал ее multiverse, то есть что-то вроде «многовселенная») родилась из хаотического состояния вакуума и в хаотическом беспорядке, она сама будет хаотической, то есть для нее нельзя указать какой-то единый момент рождения, в каждом ее отсеке (в каждой отдельной вселенной) наверняка будут свои законы пространства, времени и природы в точном соответствии со слабым антропным принципом.
Новая теория получила название хаотической инфляции. Развивая ее, Линде в работе 1986 года показал, что в быстро растущих отсеках мультивселенной должны возникать собственные квантовые флуктуации вакуумного и иных полей, которые должны привести к непрерывному и не знающему конца раздуванию таких мест в этих отсеках, так что мультивселенная должна бесконечно самовоспроизводиться.
У этого процесса нет начала и нет конца, и поэтому Линде назвал этой новый грандиозный сценарий теорией вечной хаотической инфляции. Эта бесконечная инфляция тоже будет хаотической в том смысле, что все возникающие в разных отсеках (они же вселенные) новые отсеки (они же новые и новые вселенные) в принципе должны иметь разные геометрии (в том числе и разное число размерностей пространства), разные свойства времени и разные виды частиц и полей.
Так что не исключено, что многие из них имеют, скажем, шесть пространственных измерений или не содержат никаких частиц вещества и так далее и тому подобное. (Разумеется, вполне вероятно также, что многие из них — а число их бесконечно — будут вполне пригодны для появления жизни и разума, хотя каждая в свое время, не обязательно совпадающее с другими.)
И вот теперь Линде утверждает (и Гут уже выразил свое согласие с ним), что новые данные по гравитационным волнам лучше всего совпадают именно с предсказаниями этой его теории.
Как я уже сказал, если его слова окончательно подтвердятся, наука получит наконец ответ, почему мы вообще существуем. Потому что в бесконечном и вечном процессе хаотического появления все новых и новых вселенных со все новыми и новыми законами и константами обязательно должна была когда-нибудь (и не раз) появиться и такая, где стало возможным возникновение жизни и разума. Это будет огромной научной победой, но, конечно, лишь в рамках физики и космологии. Ибо полный ответ на вопрос, почему мы вообще существуем, требует, разумеется, еще и биологического объяснения того, как жизнь могла возникнуть из «мертвого» вещества и развиться до появления разума.
Возникновение жизни биология пока однозначно объяснить не может. Она сразу наталкивается здесь на проблему «яйца и курицы». Для воспроизведения первой ДНК нужны белки, а для появления первых белков нужна ДНК.
Эту трудность пытаются обойти, постулируя, что первыми возникли особые молекулы — РНК, которые способны были сами катализировать свое воспроизведение. Этот катализ привел к появлению целого мира разных РНК, из которых естественный отбор стал отбирать материал для дальнейшего усложнения. Но существование такого аутокатализа пока не вполне доказано, а главное — непонятно, почему отбор все лучших РНК должен был привести к появлению белков (или ДНК). Свои трудности современная биология испытывает и при объяснении дальнейшего развития жизни.
Она объясняет этот процесс дарвиновской теорией, в которой эволюция представляется как медленный, постепенный и непрерывный процессе накопления и отбора случайных мелких изменений (мутаций) в генах, что находит затем выражение в столь же мелких изменениях организмов в целом. Таким манером, утверждает теория, из первой живой клетки начали развиваться, разрастаясь, как ветки дерева, различные виды клеток, потом разделившиеся на еще более многочисленные виды организмов и так далее вплоть до человека, увенчавшего это «древо жизни».
Однако в последние десятилетия накопилось много новых фактов, указывающих на то, что в действительности этот процесс не был непрерывным. Cкорее то была прерывистая эволюция, в которой короткие периоды бурного появления новых организмов в почти готовой форме сменялись длительными периодами их дальнейшей тонкой доводки и более мелкого дробления на подвиды (Элдридж и Гулд назвали такой процесс пунктирной эволюцией).
Гипотеза эта принадлежит выдающемуся современному биологу Евгению Кунину из Национального института здоровья в Бетезде (США). Она полностью изложена им в недавней книге «Логика случайности», а до этого – в двух статьях с весьма примечательными, как вы сейчас увидите, названиями: «Космологическая модель вечной инфляции и переход от случайности к эволюции в истории жизни» и «Модель биологического Большого взрыва для главных переходных моментов эволюции». В первой статье Кунин говорит примерно следующее: «Модель вечной инфляции, по контрасту с традиционной космологической моделью единичной, уникальной вселенной, предполагает, что в разных отсеках мультивселенной могут случайным образом возникать и бесчисленное число раз повторяться все возможные наборы начальных физических условий.
[ad2][/ad2]
Эта модель, следовательно, указывает и на возможность случайного появления в разных таких отсеках бесконечного числа самых сложных систем, даже если вероятность каждого единичного появления такой сложности в каждом отдельном отсеке будет крайне мала. Жизнь на Земле не является исключением из этого правила. Мы существуем, потому что в нашем отсеке мультивселенной случайно возник сразу весь тот набор молекул, который обеспечивал и воспроизведение ДНК, и построение с ее помощью белков. Теория вечной инфляции говорит, что в вечной и бесконечно самоумножающейся мультивселенной появление такой случайности (как и любой другой) было необходимо, так что дарвиновская эволюция не требует никакого мира РНК и является, в сущности, неизбежным следствием антропного принципа».
Во введении ко второй статье Кунин пишет: «На всех главных этапах биологической эволюции повторяется один и тот же сценарий внезапного появления различных живых форм нового уровня сложности. Так было при появлении первых живых молекул (РНК и белков), важнейших групп вирусов, двух классов простейших (архей и бактерий), родоначальников супер-семейства эукаритов (клеток с ядром) и всех семейств животных. Можно думать, что все эти точки являются местами перехода от одной, взрывной, фазы эволюционного развития к другой, постепенной. Первая, инфляционная, фаза крайне быстро порождает огромное множество новых возможностей обмена генетической информацией (горизонтальный перенос генов, рекомбинации, слияния, деления и т. п.), тогда как во второй фазе возникшие таким путем новые формы жизни начинают развиваться и ветвиться. Этот процесс напоминает рождение новой вселенной в теории вечной хаотической инфляции, где в результате стремительного расширения (обычно именуемого Большим взрывом) рождается новый отсек мультивселенной, который дальше начинает развиваться по своим внутренним законам. Поэтому я назвал обрисованные выше фазовые переходы в истории жизни «Биологическими большими взрывами».
Обе статьи продолжаются подробным анализом и доказательством выдвинутых в них гипотез, но их пересказ требует отдельного рассказа, и остается лишь надеяться, что судьба позволит нам к этому вернуться. Пока же скажу лишь: головокружительные идеи современной науки открывают бездонные глубины, и природа, видимо, не зря столько старалась, создавая это орудие своего самопознания.
[pt_view id=880e660jwq]
Sorry, the comment form is closed at this time.
Sorry, the comment form is closed at this time.