Антропный принцип: Вселенная идеально настроена под нас

Когда мы смотрим на Вселенную, довольно трудно представить, что это вот все — планеты, звезды, галактики, сложные жизни, которыми мы наслаждаемся, — все возникло случайно. Куда ни глянь, Вселенная подчиняется одним и тем же законам: все тем же фундаментальным константам, частицы мы находим одни и те же, взаимодействия между ними позволяют сложить частицы вместе, а они образуют все, что мы знаем. И есть во всем этом некая неизбежность.

Наша Вселенная, кажется, очень тонко настроена, чтобы все было так, но может ли это быть в действительности? В науке, если мы хотим что-нибудь узнать, мы должны задаться вопросами о природе объекта. Давайте посмотрим, как устроена наша Вселенная и что мы можем узнать из этого.

Одна из первых вещей, которую вы обнаружите, и она сама собой разумеющаяся, если вы подумаете об этом хорошо, — это что во Вселенной много всякой всячины. И уже этот факт сам по себе удивителен, потому что все должно быть не так.

Наши законы природы, физические законы, регулирующие взаимодействие каждой частицы во Вселенной, включая силы, которые приводят к тому, что материя связывается, взаимодействует гравитационно, слипается и собирается в скопления, — эти законы кажутся одинаковыми повсюду. Мы знаем, как они влияют на все известные частицы во Вселенной, и они дают нам основу для понимания того, как Вселенная должна была эволюционировать, чтобы стать такой, какой кажется сегодня.

Но знание законов физики — знание того, как все разнообразные частицы взаимодействуют друг с другом — не отвечает на вопросы о нашем существовании. Конечно, на многое они отвечают: рассказывают о поведении физической системы, которая начинает с определенными характеристиками. Дайте нам начальные условия, дайте нам законы, регулирующие все присутствующие частицы, и мы можем сказать вам, что произойдет в определенных пределах, физически детерминированных.

Пространство-время расширяется или сжимается, искривляется в зависимости от материи и энергии, которые в нем присутствуют. Частицы притягиваются, отталкиваются или связываются вместе в зависимости от условий, при которых они взаимодействуют. Некоторые системы будут стабильны; другие распадутся спустя некоторое время. Научный процесс очень мощный и делает качественную работу, рассказывая нам, как это все происходит.

Но он не рассказывает нам, почему или в действительности ли все, что происходит, происходит неизбежно и неизменно. Иногда нам нужно небольшое руководство, если мы хотим расширить свои знания и понимание Вселенной. Нам бы помог руководящий принцип, который указал бы, где искать.

К примеру, давно известно, что Вселенная содержит великое разнообразие элементов, или атомов с разным числом протонов в своих ядрах. Вы сами содержите по меньшей мере 59 различных элементов в теле в разных пропорциях, однако долго время мы не знали, как эти элементы стали такими. Впрочем, одно мы можем сказать уверенностью: мы здесь и мы наблюдаем Вселенную.

Этот простой очевидный факт на самом деле обладает большой массой. Он говорит нам, что наша Вселенная существует с такими свойствами, что в ней мог появиться разумный наблюдатель.

Периодическая система

Это заявление резко контрастирует с тем, что у Вселенной могут быть свойства, несовместимые с существованием разумной жизни. Логика довольно простая: если свойства нашей Вселенной запрещают разумную жизнь с самого начала, она просто не может быть нашей, поскольку никогда не появится тот, кто будет ее наблюдать. Простой факт того, что мы здесь и наблюдаем Вселенную, в сочетании с актом наблюдения означает, что Вселенная настроена таким образом, чтобы признать наше существование. Это самая суть так называемого антропного принципа.

И только одно это может рассказать нам несколько интересных вещей.

Если бы наша Вселенная была полна тяжелых элементов, должно быть несколько способов синтезировать их. В начале 50-х годов было широко признано, что в основе жизни звезд лежит ядерный синтез и что наше Солнце может синтезировать гелий из водорода в течение длительных периодов времени. Но это два самых легких элемента во Вселенной! Вы не можете соединить водород (масса 1) и гелий (масса 4), чтобы пойти дальше, потому что просто не существует стабильного ядра с массой 5; вы также не можете соединить два ядра гелия, потому что бериллий-8 (практически с идентичной массой) нестабилен и распадается обратно на два атома гелия примерно через ~10^-16 секунд.

Но в 1952 году Фред Гойл использовал антропный принцип как причину, что должен быть процесс для создания более тяжелых элементов. Он сделал вывод, что должен быть способ добавить третий гелий — для взаимодействия с крайне нестабильным бериллием-8 — и синтезировать их в углерод-12. Дело в том, что их массы не совпадают. Углерод-12 обладает намного меньшей массой, чем бериллий-8 и гелий-4, вместе взятые, поэтому Гойл сделал захватывающий прогноз: должно существовать возбужденное состояние углерода-12, которое физики-ядерщики пока не обнаружили, которое точно соответствовало бы массе трех ядер гелия-4 вместе.


Это был невероятно смелый прогноз, плевок в лицо известной ядерной физики: такое состояние могло быть обнаружено на тот момент только с помощью эксперимента. Но Гойл сообщил о своем прогнозе физику-ядерщику Вилли Фаулеру, а также о необходимости существования такого состояние, чтобы во Вселенной был углерод, а значит, и жизнь. Фаулер занялся поиском. Спустя пять лет было произведено открытие как теоретического состояния Гойла, так и механизма, его формирующего — тройной альфа-процесс, или тройная гелиевая реакция. В том же году оба ученых вместе с Джеффри и Маргарет Бербидж опубликовали работу, которая корректно описывает происхождение всех тяжелых элементов во Вселенной: ядра гигантских звезд, которые становятся сверхновыми, обогащают Вселенную!

Антропный принцип помогает нам понять, почему свойства Вселенной должны располагаться в определенном диапазоне значений: мы должны существовать в диапазоне, который делает возможной существование жизни.

Гравитация не может быть сильнее, чем является, или во Вселенной были бы только черные дыры и больше ничего. Темной энергии (или космологическая константа) не может быть больше в 100 раз, чем наблюдаемая величина, или гравитация не позволила бы образовать ни единой звезды до того, как первичные атомы разлетелись бы в стороны. Должна быть фундаментальная асимметрия материи и антиматерии во Вселенной, поскольку в противном случае для образования Вселенной, какой мы ее знаем, не хватило бы начинки.

Хотя есть много вариантов антропного принципа, постулируется он примерно так:

Законы природы должны быть такими, чтобы Вселенная могла существовать в соответствии с наблюдениями о том, какой она должна быть.

С этим утверждением довольно трудно спорить. И все же, само по себе, оно не является научным ответов на какие-либо проблемы.

Мы знаем, что во Вселенной есть асимметрия материи-антиматерии, но понимание того, что она нам нужна, чтобы удовлетворить антропные ограничения, не говорит нам, почему во Вселенной есть вещество, а не антивещество, которое мы наблюдаем и с которым взаимодействуем.


Физики часто делают предположение — и оно не обязательно хорошее — что в принципе законы и константы природы могут принимать любое количество произвольных форм и значений. Если вы принимаете это, тогда, конечно, наша Вселенная, какой мы ее наблюдаем, должна иметь законы и константы, которые согласуются с существованием разумного наблюдателя.

Но если придерживаться этой линии мышления, вы никогда не поймете, как это произошло.

Эта линия ненаучного мышления поднимает свою уродливую голову, когда люди думают о проблеме космологической постоянной (или темной энергии), спрашивая, почему Вселенная тонко настроена, чтобы иметь такую величину космологической постоянной, какую мы наблюдаем, примерно на 10^120 порядков меньше, чем наш наивный прогноз. Аргумент примерно такой:

«Что ж, возможно, наши наивные расчеты космологической постоянной дают нам слишком большие числа, раз в 10^120 больше, но из 10^500 возможных вселенных хотя бы в нескольких из них будет правильная величина, а другие не имеют значения, потому что там никого нет».


Этот аргумент не является неправильным настолько, чтобы быть равносильным отказу от физики или утверждения, что наша Вселенная объяснима и понятна с точки зрения физических законов и динамики. Есть много других проблем, которые имеют похожие трудности, вроде величины асимметрии материи-антиматерии (на 10 порядков отличается от нашего прогноза), масс фундаментальных частиц (на 19 порядков отличаются от того, что мы ожидали) и относительной слабости силы гравитации (на 30 порядков слабее других).

Любой тип научного мышления имеет смысл только когда говорит вам чего-то, чего вы еще не знаете, а мы уже узнали, что живем в этой Вселенной и что она обладает наблюдаемыми свойствами. Фраза «так и должно быть, потому что мы здесь» — одновременно и логически ошибочна (она могла быть другой, и мы все еще могли быть здесь), и ничему новому нас не учит. Наша Вселенная может быть тонко настроена в определенной степени, но антропный принцип не расскажет нам, почему или зачем.

И это еще не все. Без знания того, почему и зачем Вселенная стала такой, какой она есть, у нас нет будет науки, во всяком случае она будет неполной. И этот ответ не удовлетворяет ни меня, а также не должен удовлетворять вас, если вы здравомыслящий человек. Антропный принцип может вести нас, но он не дает ответы сам по себе.