Фундаментальные свойства вселенной это

Дагестанский государственный университет, Махачкала

Введение

Идеи антропного космологического принципа , развивавшиеся в последнем столетии XX века, представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах — от элементарных частиц до сверхскоплений галактик — с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи, жизнь и человек.

Проблема возникновения структурности мира и жизни во Вселенной традиционно трактуется следующим образом: окружающая нас Вселенная обладает определенными физическими свойствами и закономерностями, познаваемыми нами. Как в таком случае происходит эволюция Вселенной, приводящая к достаточно сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой Вселенной жизнь? От ответа на эти, во многом еще не решенные вопросы, зависит возможность существования жизни в других областях Вселенной, в другие времена и направления ее поиска.

Любая физическая теория, например уравнения Максвелла в электродинамике , ставит перед собой задачу дать полное физическое описание той или иной системы, если известен полный набор начальных данных , поскольку в различных физических явлениях начальные данные различны. Но когда мы обращаемся к космологии , вопрос о начальных данных и фундаментальных постоянных неразрывно связан с тем, почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем. Прежде чем подойти к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими представляются современному естествознанию начальные условия нашей Вселенной.

1. Современная космология

Наиболее важным в современной стандартной космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней Вселенной дается в модели В. де Ситтера . Более поздние промежутки эволюции Вселенной даются в модели А.А. Фридмана . Возникающая при этом зависимость размеров Вселенной от времени может быть примерно описана кривой, показанной на рис. 1. Время перехода от деситтеровской стадии расширения (1 ) к фридмановской (2 ) обозначено через t_F . Физический смысл времени tF в том, что оно показывает момент радикального изменения закона расширения Вселенной . Переход от одного закона к другому в момент tF означает радикальное изменение основных свойств Вселенной в этот момент, изменение ее фазового состояния .

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де Ситтера на начальной стадии ее эволюции получила название модели раздувающейся Вселенной [1]. По этой модели при вся энергия мира была заключена в его вакууме. Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10 -35 с . Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически напряженным. В таких случаях достаточно возникновения малейших неоднородностей, играющих роль случайной затравки, чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера можно привести явление кристаллизации ). При переходе вакуума в другое состояние мгновенно выделилась колоссальная энергия за счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за 10 -32 с пространство раздулось в громадный раскаленный шар с размерами много большими видимой нами части Вселенной . При этом произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со временем сформировалось вещество нашей Вселенной.

В последнее время усиленно обсуждаются причины того первотолчка, который был началом расширений нашей Вселенной. Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о существовании кванта единого пространства-времени, описан в теории инфляционной Вселенной . Рассмотрим ее основные положения и выводы.

А. Эйнштейн выдвинул идею о существовании космического отталкивания. Если учесть эти силы в уравнениях динамики Вселенной, то полное ускорение оказывается равным

Ускорение тяготения а_тяг

а ускорение отталкивания а_отт в соответствии с гипотезой Эйнштейна пропорционально R:

$а_ <отт>= const \cdot R.$

Числовое значение константы в этой формуле можно найти определив среднюю плотность вещества во Вселенной. В настоящее время считается, что очень близко к 10 -29 г/см3 и

где — космологическая постоянная, равная

Рассмотрим случай, когда во Вселенной нет вещества, она пуста. При этом М = 0 и а_тяг = 0. Динамика Вселенной описывается ускорением а_отт. Можно показать, что при этом две пробные частицы , помещенные в такую пустую Вселенную, будут удалятся друг от друга по закону

Согласно современным концепциям естествознания , вакуум не пустота, в физическом вакууме происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц . Это своеобразное кипение вакуума нельзя устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики, а именно соотношения неопределенностей Гейзенберга . Как показал Я.В. Зельдович в 1967 году, в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давление. Такое вакуумподобное состояние неустойчиво, и с течением времени оно распадается, превратившись в обычную горячую материю . Энергия вакуумподобного состояния перейдет в энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента Вселенная начнет развиваться по известной стандартной космологической горячей модели эволюции. Рассмотрим исходные положения этой модели и ее основные результаты.

Горячая модель Вселенной, как и любая другая, исходит из наблюдаемого в настоящее время факта ее расширения и объясняет три достоверно установленных факта: наличие барионной асимметрии Вселенной ; космическое отношение числа фотонов к числу барионов , примерно равное 10 9 ; однородность и изотропность реликтового излучения . Теория Большого Взрыва в наши дни считается общепринятой. Согласно этой теории, наша Вселенная развивалась из первоначального состояния, которое можно представить в виде сгустка сверхплотной раскаленной материи. Излучение и вещество в нем находились в тепловом равновесии . В этой ранней Вселенной фотоны эффективно взаимодействовали с веществом, а число частиц было равно числу античастиц.

Для объяснения барионной асимметрии Вселенной предполагается, что распад лептокварков происходит с превышением числа рождающихся кварков над антикварками . Исходя из наблюдаемой сейчас барионной асимметрии , число кварков должно относиться к числу антикварков как 1 000 000 001 : 1 000 000 000. Физическим обоснованием такого предположения является существование в микромире процессов, идущих с нарушением зарядовой симметрии (распад К 0 -мезонов). При этом важным является то, что барионная асимметрия не зависит от начальных условий. Родившиеся в результате распада лептокварков антикварки и кварки аннигилируют , небольшой же избыток кварков выживает и является материалом, из которого строится вещество Вселенной. Нейтроны и протоны — основные строительные элементы нашего вещества — появляются через 10 -6 с после Большого Взрыва . До времени с подавляющая часть энергии сгустка заключена в излучении, после этого момента в связи с образованием протонов — в веществе. По мере расширения и остывания Вселенной в момент времени t = 3 мин 44 с начинается образование стабильных ядер легких элементов — эра космологического нуклеосинтеза . Длительность этой эры невелика — всего полчаса. Рассчитанная по этой модели концентрация гелия во Вселенной (около 25% по массе) совпадает с данными астрофизических наблюдений .

После эры космологического нуклеосинтеза Вселенная тихо остывает. Ее температура снижается настолько, что электроны начинают соединяться с ядрами , образуя атомы . Энергии фотонов не хватает для их разрушения, с этого момента излучение отрывается от вещества. Дальнейшая эволюция излучения происходит в полном соответствии с законами теплового излучения. Теоретическое значение температуры этого реликтового излучения, дожившего до наших дней, в точности соответствует экспериментальным данным. Таким образом, только водород и гелий образуются собственно в Большом Взрыве. Тяжелые элементы образуются позднее в недрах звезд и рассеиваются в пространстве благодаря звездным взрывам.

Для дальнейшего развития наиболее важным представляется то, что в первые мгновения образования нашей Вселенной сформировался весь тот набор физических закономерностей и фундаментальных постоянных, которые и обусловили ход последующей эволюции Вселенной.

2. Фундаментальные мировые постоянные

Фундаментальные мировые постоянные — это такие константы, которые дают информацию о наиболее общих, основополагающих свойствах материи [2]. К таковым, например, относятся G, c, e, h, m_e и др. Общее, что объединяет эти константы, — это содержащаяся в них информация. Так, гравитационная постоянная G является количественной характеристикой универсального, присущего всем объектам Вселенной взаимодействия — тяготения. Скорость света c есть максимально возможная скорость распространения любых взаимодействий в природе. Элементарный заряд e — это минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в свободном состоянии (обладающие дробными электрическими зарядами кварки, по-видимому, в свободном состоянии существуют лишь в сверхплотной и горячей кварк-глюонной плазме ). Постоянная Планка h определяет минимальное изменение физической величины, называемой действием, и играет фундаментальную роль в физике микромира. Масса покоя m_e электрона есть характеристика инерционных свойств стабильной легчайшей заряженной элементарной частицы.

Константой некоторой теории мы называем значение, которое в рамках этой теории считается всегда неизменным. Наличие констант при выражениях многих законов природы отражает относительную неизменность тех или иных сторон реальной действительности, проявляющуюся в наличии закономерностей.

Сами фундаментальные постоянные G, c, e, h являются едиными для всех участков Вселенной и с течением времени не меняются (об этом говорят наблюдения и стандартная теория), по этой причине их называют мировыми постоянными. Некоторые комбинации мировых постоянных определяют нечто важное в структуре объектов природы, а также формируют характер некоторых фундаментальных теорий . Так, определяет размер пространственной области для атомных явлений, а — характерные энергии для этих явлений. Квант для крупномасштабного магнитного потока в сверхпроводниках задается величиной . Предельная масса для стационарных астрофизических объектов определяется комбинацией , где m_N — усредненная масса нуклона .

Источник

Тонкая настройка Вселенной

Под тонкой настройкой Вселенной физики-теоретики понимают, что в ее основе лежат не произвольные, а строго определённые значения фундаментальных констант, входящих в физические законы. В список этих фундаментальных мировых констант обычно включают скорость света (c), гравитационную постоянную (G), постоянную Планка (h), массы электрона и протона и заряд электрона (e). Тонкая настройка означает, что даже незначительное изменение значений этих констант от существующих привело бы к невозможности образования атомов, звёзд, галактик и, тем более, жизни.

В связи с этим возникает вопрос: случайны ли наблюдаемые нами значения фундаментальных констант или существуют неизвестные нам законы, делающие одни значения более вероятными, чем другие?

Концепция тонкой настройки Вселенной стала обсуждаться учёными, философами и теологами в первой половине 1970-х годов, хотя её отдельные аспекты затрагивались и ранее. Причина тонкой настройки неизвестна, существует лишь несколько гипотетических объяснений. Ряд учёных и философов (Пол Девис, Хью Росс, Ричард Суинбёрн и др.) полагает, что в основе существующих закономерностей лежит гипотетический разумный замысел. Другие учёные (Мартин Рис, Леонард Сасскинд, Виктор Стенджер, Игорь Новиков, Андрей Линде и др.) считают тонкую настройку случайным образованием в гипотетической мультивселенной. Суть этой гипотезы состоит в том, что существует огромное множество (не менее 10 в 500-й степени) вселенных (или областей мультивселенной) со всевозможными значениями констант и начальных условий. И естественно ожидать, что среди этого множества наверняка найдётся и такая вселенная, где значения констант подходят для образования звёзд, галактик и жизни. Существуют и другие предположения — в частности, более общая теория («теория всего») или космологический естественный отбор Ли Смолина. Философ Робин Коллинз[en], занимающийся вопросами взаимодействия религии и науки, предложил следующие три аспекта тонкой настройки Вселенной: настройка законов природы, настройка констант и настройка начальных условий Вселенной.

Выдвинутая Полем Дираком гипотеза об изменчивости некоторых констант послужила толчком к многочисленным экспериментальным исследованиям, которые показали с большой точностью, что признаки изменения какой-либо из констант на протяжении цикла расширения Вселенной отсутствуют (кроме постоянной тонкой структуры, постоянной Хаббла и отношения между массой электрона и протона, стабильность значений которых были подвергнуты сомнению. Хотя наблюдения спектральных линий поглощения в спектре галактики, находящейся на расстоянии 7 млрд световых лет от Земли, показывают, что отношение масс протона и электрона 7 млрд лет назад отличалось от сегодняшнего не более, чем на 0,00001%). В 1980 году Иосиф Розенталь выдвинул постулат, который условно назвал принципом целесообразности. Его смысл заключался в том, что основные физические закономерности, наряду с численными значениями констант, являются не только достаточными, но и необходимыми для существования основных состояний (то есть ядер, атомов, звёзд и галактик). По мнению Розенталя, «критичность существования» основных состояний позволяет выдвинуть серьёзные аргументы в пользу принципа целесообразности. Современная проблема тонкой настройки заключается в том, почему наша Вселенная является такой, а не другой. В рамках этой проблемы утверждается, что если бы ряд параметров (как констант, так и исходных характеристик в моделях Большого Взрыва) был бы слегка иным, то не могла бы возникнуть жизнь и всё многообразие в целом. Однако, вследствие существования так называемых свободных параметров, наша Вселенная не может быть описана исключительно в рамках общей теории относительности и квантовой механики: такие параметры, как, например, масса протона или сила гравитации, были названы свободными, поскольку не могут быть выведены из принятой ныне теории и должны быть определены «вручную». Как считает Ник Бостром, тонкая настройка требует объяснения в той мере, в какой она соотносится с излишком свободных параметров и, в конечном счёте, с отсутствием простоты. В соответствующих предположениях часто применяется вероятностная логика и бритва Оккама.

Вполне возможно, что большое количество физических констант, от «правильных» значений которых зависит существование жизни, подобной нашей, является всего лишь следствием более общей, ещё неизвестной нам физической теории. Когда эта теория будет построена, она вскроет механизмы, благодаря которым константы принимают своё значение, и объяснит, почему константы имеют именно такое значение, а не какое-то другое. Возможно, константы имеют такое значение, потому что они и не могут быть другими в принципе. Наиболее подходящими кандидатами, способными сократить количество свободных параметров и предполагающими единственность Вселенной, являются теории суперструн, но и они, как считается, требуют наличия определённой тонкой настройки. Хотя ландшафт теории струн однозначно задаёт весь набор физических констант, в том числе — характеристик элементарных частиц, в настоящий момент существует проблема выбора и обоснования выбора именно того «ландшафта», который будет описывать нашу вселенную. Данная проблема получила название «проблемы ландшафта».

В качестве других известных альтернативных объяснений были предложены единая нелинейная теория Гейзенберга и теория Планка, где значения всех констант определяются исключительно константами G, h и c. Нелинейная теория, однако, натолкнулась на существенные затруднения (неперенормируемость, трудности с описанием слабого взаимодействия и др.), в то время как теория Планка не нашла конкретного воплощения.

Идее более общей теории, как отмечает Пол Девис, противостоит теория мультиверса, или мультивселенной. Идея заключается в том, что возможно существование большого числа вселенных с различными физическими константами. Также есть «экзотическая» теория о том, что фундаментальные константы могут медленно изменяться в пространстве и времени, поэтому вместо дискретных вселенных существуют отдельные «островки» с «правильными» значениями квази-констант, на одном из которых мы сейчас и находимся. Например, ландшафт теории струн или М-теории допускает существование не менее 10 в 500 степени различных вакуумов, отличающихся друг от друга способами компактификации дополнительных пространственных измерений и другими параметрами. В этих вакуумах будут разные законы физики, параметры элементарных частиц и фундаментальные константы. Можно ожидать, что среди огромного набора вселенных (или областей одной Вселенной) с разными значениями констант наверняка найдётся такая вселенная (или область), чей набор констант подходит для возникновения жизни. Именно в этой области жизнь и возникла. Поэтому мы и наблюдаем вокруг себя Вселенную со значениями констант, подходящими для возникновения жизни.

Научный редактор журнала «Вокруг света» Александр Сергеев в своей статье «Вселенная для человека?» пишет, что идея мультивселенной является «наиболее естественным объяснением тонкой настройки Вселенной». Однако он также отмечает, что самый существенный недостаток теории — сложность экспериментальной проверки, из-за чего эта теория была поначалу скептически воспринята научным сообществом. В случае с мультивселенной необходимо также учесть эффект избирательности наблюдения, который, как показал Бостром, даёт серьёзные теоретические осложнения.

Нередко идею мультивселенной отождествляют с антропным принципом: «само существование человечества свидетельствует, что законы нашей Вселенной ему благоприятствуют». Хотя сам принцип при беглом прочтении может показаться тавтологией или трюизмом, на самом деле он как раз указывает на возможность существования большого числа вселенных с различными физическими законами, предполагая, что если их достаточно большое число, то хотя бы в одной из них получатся именно те параметры, которые позволят нам существовать и наблюдать вселенную.

В 1980 году американский физик Алан Гут предложил принципиально новую модель (по сравнению с моделью горячей вселенной) — инфляционную модель Вселенной. В процессе её доработки и изучения (в частности, при создании теории хаотической (вечной) инфляции) стало ясно, что развитие по этой модели неизбежно приводит к появлению мультивселенной. В этой модели «инфляция» является как раз тем, что даёт возможность реализоваться всем ложным вакуумам, которые возможны. При этом, как отмечает автор журнала прикладной механики Алексей Левин, конкретный набор параметров в каждой вселенной вполне может определяться уже упомянутой струнной теорией (или M-теорией).

Космологический естественный отбор

Ещё один вариант объяснения «тонкой настройки» — это теория космологического естественного отбора, предложенная физиком-теоретиком Ли Смолиным в книгах «Жизнь космоса» и «Возвращение времени» и напоминающая дарвиновскую теорию эволюции. Основная идея Смолина состоит в том, что законы физики должны меняться (эволюционировать) со временем. В качестве одного из возможных сценариев того, как это может происходить, он предложил следующую модель. Всякий раз, когда в какой-то вселенной возникает чёрная дыра, то есть сингулярность, из этой сингулярности путём Большого взрыва рождается новая вселенная (но в своём пространстве-времени, а не в исходном). При возникновении новой вселенной ей передаются «по наследству» законы физики и значения фундаментальных констант вселенной-предка, но с небольшими случайными «мутациями», то есть отклонениями от исходных значений. Те вселенные, чьи законы физики не позволяют образовываться устойчивым системам (атомам, звёздам, вращающимся вокруг них планетам и т. д.), вследствие этого не формируют чёрные дыры, а значит, не оставляют «потомства». И наоборот, те вселенные, чьи законы физики позволяют образовываться, например, звёздам, вырабатывающим углерод, производят много чёрных дыр, а значит, и вселенных-потомков, которым передают по наследству свои законы физики. Таким образом идёт космологический естественный отбор вселенных по способности формировать макроскопические тела, звезды, углерод, а значит и жизнь.

Например, чтобы могли образоваться чёрные дыры, должны образоваться устойчивые звёзды. Для этого пространство должно иметь три макроскопических (не компактных) измерения, Вселенная должна просуществовать достаточно долго. А чтобы этих чёрных дыр произвелось как можно больше, Вселенная должна быть еще и достаточно большой. Если бы звёзды не могли производить углерод, то они не могли бы превращаться в чёрные дыры, а значит, в ходе космологического естественного отбора законы физики должны настроиться и на производство углерода. И так далее. Другими словами, получается, что те свойства Вселенной, которые нужны для образования как можно большего числа чёрных дыр, подходят и для развития жизни. Таким образом, свойства Вселенной в ходе космологического естественного отбора настроились для формирования чёрных дыр, а возможность возникновения жизни — «побочный эффект» этого процесса.

По мнению Смолина, его модель лучше, чем антропный принцип, объясняет «тонкую настройку Вселенной», необходимую для появления жизни, так как имеет два важных преимущества.
1. В отличие от антропного принципа, модель Смолина имеет физические следствия, которые поддаются проверке наблюдениями. Смолин утверждает, что наблюдения уже много раз могли бы опровергнуть его теорию, но пока что этого не произошло.
2. Жизнь во множественных вселенных возникает не случайным образом, а закономерно: больше «потомков» в ходе отбора имеют те вселенные, параметры которых приводят к возникновению большего числа чёрных дыр, и эти же параметры, по предположению Смолина, благоприятствуют возможности зарождения жизни.

В 1990 году вышла работа Ричарда Суинбёрна «Аргумент от тонкой настройки Вселенной» (англ. Argument from the Fine Tuning of the Universe), где была предложена теистическая трактовка тонкой настройки на основе вероятностной теоремы Байеса. Суммируя одно из предположений Суинбёрна, философ Уильям Крэйг привёл пример расстрельной команды из ста снайперов, после залпа которой заключённый остаётся в живых. Развивая этот мысленный эксперимент, Росс отмечает, что заключённый «может приписать сохранение своей жизни невероятному везению, но намного разумнее предположить, что ружья были заряжены холостыми патронами, или что снайперы намеренно стреляли мимо».

Однако математик Майкл Икеда и астроном Уильям Джефферис в своей статье «Антропный принцип не поддерживает сверхъестественность» математически доказывают, что наличие тонкой настройки является скорее аргументом против теории разумного творения и поддержания жизни (т. н. аргумент Икеды — Джеффериса). Из доказанной ими теоремы следует, что в том случае, когда законы природы благоприятны для существования и/или возникновения жизни, вероятность вмешательства в эти процессы некоего «разумного творца» ниже, чем в случае произвольных законов природы, при которых жизнь всё же существует (потому что в первом случае во вмешательстве творца меньше необходимости). К этому выводу можно прийти чисто логическим путём, без математики, что было сделано Джоном Стюартом Миллем в работе «Теизм» (1874). Стоит заметить, однако, что этот аргумент касается лишь предположительных вмешательств творца в процессы зарождения и/или существования жизни в уже существующей Вселенной при уже заданных в ней законах природы и значениях констант, но не относится к вопросу о том, каким путём возникли сами эти законы природы и как фундаментальные физические константы приняли своё значение.

В заключение приведу интереснейшие размышления на тему «тонкой настройки» Алексея Бурова.

Возникает вопрос: каким образом тонкая настройка могла быть обеспечена? Какие здесь вообще могут быть ответы?

Теизм здесь видит, разумеется, замысел Создателя, и даже одно из доказательств Разумного Замысла, но есть ли другие разумные варианты ответа о тонкой настройке, разумные гипотезы о ее причине или резоне? Тут я должен согласиться с атеистическими оппонентами: таких гипотетических вариантов как минимум два.

Первый из них состоит в предположении о наличии пока неизвестных общих принципов, из которых будут следовать имеющиеся значения констант. Второй гипотетический вариант состоит в допущении существования достаточно обширного ансамбля вселенных, мультиверса, где индивидуальные вселенные имеют всевозможные физические константы. Жизнь будет возникать лишь в тех вселенных, где константы на нее настроены. Там, где они не настроены, некому о них спрашивать. Такое мультиверсное объяснение тонкой настройки носит название Слабого Антропного Принципа. Когда теисты сталкиваются с такими возражениями, они обычно указывают на то, что о будущей всеобъясняющей теории говорить безответственно, а также говорят о бездоказательности или монстрообразности мультиверса. И они вообще-то правы, но личным принципом автора этих строк является максимальный кредит оппоненту, адвокату дьявола, или, пользуясь шахматной терминологией, сильнейшей игры за черных. Мне интересно принимать всякую гипотезу оппонента, не противоречащую данным о мире и не уничтожающую сами основы рационального мышления, и потому я принимаю обе эти нетеистические гипотезы о тонкой настройке, и соглашаюсь со слабостью тонкой настройки как теистического аргумента.

Присмотримся, однако же, повнимательнее к этой тонкой настройке. Представим себе племя дикарей, обнаруживших на своем острове радиоприемник, каковых до тех пор они не видели. Приемник работал и передавал увлекательные мелодии. Обнаружив ручку настройки, любознательные люди стали ее крутить, и заключили, что лишь при исходном ее положении слышна музыка, а иначе — лишь шум. Это замечательное наблюдение породило вопрос: кто или что установило ручку в столь особенное положение? Появились разные версии, обсуждаемые десятилетие за десятилетием. У развернувшейся дискуссии был странный недостаток: никто не догадался спросить, откуда на острове вообще взялась вся эта штука, музыку издающая, то есть радиоприемник.

ХАРАКТЕР ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ

История о дикарях выдумана как аналогия полувекового обсуждения тонкой настройки физических констант, где спорящие, как правило, оставляют за кадром ту сущность, которой константы принадлежат — законы нашей вселенной. Законы эти, однако же, весьма и весьма особенны. Перечислим здесь их важнейшие свойства.

Во-первых, законы выражаются математически простыми формулами — достаточно простыми, чтобы их можно было открыть. Вспомните, например, первый из открытых человечеством универсальных законов, закон всемирного тяготения — куда уж, казалось бы, проще? И однако же, при этой простоте, история физики наводит на мысль, что всякое открытие совершалось на пределе человеческих возможностей, в высшей степени одаренными людьми. Формулы законов просты лишь настолько, чтобы открытия были возможны — но не более того.

Во-вторых, законы подчинены разного рода математическим симметриям; у них есть важные инварианты и интегралы движения. Например, выражение для силы гравитационного притяжения, как и для электростатического, оставляет инвариантом поток силы. Именно поэтому обратная пропорциональность квадрату расстояния и предлагалась еще до Ньютона, и даже не одним автором. Заслугой Ньютона была не сама формула закона, а демонстрация того, что из нее следуют законы Кеплера для планетарных орбит, что потребовало от него развития новой математики, исчисления бесконечно малых. Подобные симметрии законов, как бы напрашивающиеся на гипотезу для одаренного ума, играли неоценимую роль в физических открытиях.

В-третьих, законы нередко допускают простые решения, вроде тех же эллипсов орбит, о которых сумел догадаться Кеплер, знакомый с трудом Аполлония Пергского о конических сечениях, эллипсе гиперболе и параболе. Никаких иных математически исследованных кривых, кроме конических сечений, Кеплер не знал: будь орбита не эллиптичной, ее загадка осталась бы не раскрытой.

В-четвертых, законы космически-универсальны: на том дальнем краю вселенной, до которого досягают сильнейшие телескопы, законы совершенно те же, что на наших огородах.

В-пятых, математические формулы фундаментальных законов исключительно точны, иногда подтверждаясь данными прецизионных экспериментов с точностью лучшей, чем десяток десятичных знаков. Такова точность общей теории относительности и квантовой электродинамики.

В-шестых, законы асимптотично-истинны. Всякий раз, когда физика обнаруживает, что хорошо известные законы нарушаются в новых условиях, то открываемые ею новые законы имеют своим математическим пределом законы старые. Если новые законы истинны, то истинны и их математические пределы или асимптоты. Таким образом, более глубокое постижение вселенной приводит отнюдь не к обнаружению ложности старых законов, как иногда пишут философы, а к уточнению их области применимости, раскрывая их асимптотическую истинность.

И, наконец, в-седьмых, фундаментальные физические законы таковы, что открывают возможность жизни, ее появлению и эволюции вплоть до высших форм, совместимых с мышлением, развивающимся до открытия рациональности вообще и математических доказательств в частности. Принимая установившийся термин, назовем это свойство законов антропностью. Это свойство требует возможности существования во вселенной точно репродуцирующихся сложных текстов, устойчиво транслируемой биологической информации. А для этого, в свою очередь, нужны физические буквы, добрая половина атомов системы Менделеева, из которых эти тексты и их обработчики и состоят.

Здесь требуется достаточное разнообразие и жесткость атомов, а также их способность связываться в длинные, достаточно устойчивые, сшиваемые и расшиваемые структуры, апериодические кристаллы, по выражению Шредингера. Здесь, в этом пункте, содержится требование не только особой структуры законов, но и тонкой настройки их численных параметров, физических констант. Судя по всему, однако же, прав философ Робин Коллинз, указывающий на необходимость дополнительной тонкой настройки констант, обеспечивающей познаваемость законов, поверх обеспечения живых мыслящих существ. В качестве примеров познавательной тонкой настройки он указывает на возможность управления огнем и на наблюдаемость реликтового излучения. Алексей Цвелик и философ Джон Лесли, независимо, обращают внимание на то, что гигантское число условий жизни не может быть удовлетворено для произвольных законов с небольшим числом констант, но требует весьма особенной структуры законов.

Суммируя указанные свойства законов, мы можем сказать, что они математически элегантны (просты, симметричны, богаты решениями, асимптотически сопряжены), универсальны, точны и антропны. Все эти свойства вместе делают законы познаваемыми теми самыми живыми разумными существами, чье появление этими же законами и поддержано. Вселенная интеллектуально самосогласована. Законы нашей вселенной открываемы — это свойство гораздо сильнее совместимости с простейшей жизнью, что обычно понимается под «антропностью». Интеллектуально самосогласованная вселенная, чьи законы подчинены принципу познаваемости, может быть названа пифагорейской, в честь великого мудреца, с которого начинается математика и математическая физика.

В завершение этого беглого обзора характера физических законов, укажем на поистине космический размах человеческого познания вселенной, уже состоявшийся размах, уже являющийся фактом. Это познание захватывает невообразимый интервал параметров, от сверхбольших до сверхмалых, от размера видимой вселенной, примерно десять в двадцать шестой степени метров, до масштабов недавно открытых элементарных частиц, примерно десять в минус девятнадцатой метра. Поделив размер самого большого объекта современной физики на размер самого малого, мы получаем безразмерный параметр, характеризующий размах человеческого познания космоса на сегодня: эта величина выражается единицей с сорока пятью нулями. Не думаю, что есть хоть одно важное для человека число, имеющее прямое отношение к его духу, к его истории, которое было бы сравнимо с этим по величине и значимости. Десять в сорок пятой степени — таков космический масштаб человека на сегодня.

Теперь, уяснив свойства не только ручек настройки законов, но и их структуры, мы можем более осмысленно задать вопрос о возможной причине не только тонкой настройки констант, но всего пифагорейского характера физических законов, интеллектуальной самосогласованности вселенной. Вопрос о возможной причине тонкой настройки плох: он берет из всего характера физических законов лишь один аспект, игнорируя другие аспекты, и спрашивает — почему так? В удивлении перед миром, мы находимся в положении Холмса и Ватсона, пытающихся найти ответ, откуда все это взялось. Систематической ошибкой доктора Ватсона было упущение важной части данных, из чего выходили ложные гипотезы, на что и обращал внимание своего друга Шерлок Холмс. Вопрос о тонкой настройке констант, взятый в отрыве от данных о характере физических законов, от их интеллектуальной самосогласованности есть типичная ошибка Ватсона. Когда теистические философы следуют этой слабой линии, они получают отвод со стороны оппонентов, и даже не один, как было показано выше. Аргумент тонкой настройки оказывается малоубедителен, он находит контр-аргументы.
Спросим теперь не о тонкой настройке законов, а об интеллектуальной самосогласованности вселенной: что может быть причиной этого? Почему вселенная может обладать этим удивительным, весьма неожиданным качеством? Первое, что мы увидим, это то, что ни одно из нетеистических объяснений тонкой настройки здесь не годится. Никакой закон в принципе не может объяснять самосогласованности законов по той простой причине, что тут же встанет вопрос о самом этом объясняющем законе, в силу чего он-то действен для нашей вселенной? Проблема останется той же, что и была. Никакой мультиверс также не может объяснять пифагорейского характера нашей вселенной, логика Слабого Антропного Принципа тут не работает. Пифагорейность, интеллектуальная самосогласованность, в отличие от антропности, не фильтруется возможностью наблюдения. Да, если во вселенной нет жизни, то и некому спрашивать о ее законах; вопросы возможны лишь для обитателей антропных вселенных. Но пифагорейность не может объясняться таким образом: в непифагорейской вселенной вопросы о ее происхождении могли бы быть столь же возможны, как и в пифагорейской; здесь нет фильтра наблюдателя. Недавно я рассматривал все известные ответы на этот метафизический вопрос, и попытался показать, что ни один из них не выдерживает рациональной критики, кроме одного: Разумного Замысла. Замечательная формулировка этого ответа принадлежит одному из авторов квантовой электродинамики, темплтоновскому лауреату Фримену Дайсону (1923-2020):

В качестве рабочей гипотезы к объяснению загадки нашего существования я предлагаю, что наша Вселенная является наиболее интересной из всех возможных вселенных и что наша судьба как человеческих существ — делать ее именно таковой. (Бесконечное во всех направлениях, 1988). Дайсон также дает понять, что это ответ и на проблему зла: максимально интересная вселенная не может не быть трагичной.

Источник