Антропный космологічний принцип

Антропный космологічний принцип

М. До. Гусейханов, Дагестанський державний університет, Махачкала.

Введение

Идеи антропного космологічного принципу, развивавшиеся в останньому столітті ХХ століття, представляють великий науковий інтерес з погляду відповіді питання походження і еволюції навколишнього світу. Основна ідея цього принципу у тому, що фундаментальні властивості Всесвіту, значення основних фізичних констант і навіть форма фізичних закономірностей тісно пов’язані з фактом структурності Всесвіту переважають у всіх масштабах — від елементарних частинок до сверхскоплений галактик — із можливістю існування умов, у яких виникають складні форми руху матерії, життя й человек.

Проблема виникнення структурності світу і життя в Всесвіту традиційно трактується так: навколишнє наше Всесвіт має певними фізичними властивостями і закономірностями, пізнаваними нами. Як у цьому випадку відбувається еволюція Всесвіту, яка веде до досить складною структурам, як зароджується і еволюціонує у такому Всесвіту життя? Від відповіді ці, багато в чому не вирішені питання, залежить можливість існування життя жінок у інших галузях Всесвіту, до інших час і напрями її поиска.

Любая фізична теорія, наприклад рівняння Максвелла в електродинаміки, ставить собі завдання дати повне фізичне опис тій чи іншій системи, якщо відомий повний набір початкових даних, що у різних фізичних явищах початкові дані різні. Однак ми звертаємося до космології, питання початкових даних, і фундаментальних постійних нерозривно пов’язаний про те, чому Всесвіт саме така, якою її спостерігаємо. Перш ніж підійти до відповідальності це питання, розглянемо, якими видаються сучасному природознавства початкові умови нашого Всесвіту.

1. Сучасна космология

Наиболее важливим у сучасній стандартної космологічної моделі Всесвіту є питання властивості ранньої Всесвіту. Задовільний опис властивостей ранньої Всесвіту дається в моделі У. де Ситтера. Пізніші проміжки еволюції Всесвіту вони дають у моделі А.А. Фрідмана. Квазінаціональне середовище у своїй залежність розмірів Всесвіту від часу то, можливо приблизно описана кривою, показаної на рис. 1. Час переходу від деситтеровской стадії розширення (1) до фридмановской (2) позначений через tF. Фізичний сенс часу tF у цьому, що його показує момент радикальної зміни закону розширення Всесвіту. Перехід від одного закону до іншого в останній момент tF означає радикальне зміна основних властивостей Всесвіту на той час, зміна її фазового состояния.

.

Модель експоненційного зростання розмірів Всесвіту де Ситтера вже на початковій стадії її еволюції отримав назву моделі раздувающейся Всесвіту [1]. По цієї моделі при вся енергія світу укладено у його вакуумі. Деситтеровская стадія розширення тривала приблизно 10−35 з. Усе це час Всесвіт швидко розширювалася, яким заповнюють її вакуум хіба що розтягувався без зміни своїх властивостей. Утворене стан Всесвіту було конче хистким, енергетично напруженим. У разі досить виникнення найменших неоднородностей, граючих роль випадкової початку, щоб викликати перехід у інше стан (за приклад можна навести явище кристалізації). При переході вакууму в інше стан миттєво виділилася колосальна енергія з допомогою різниці його початкового й кінцевого станів. Приблизно за 10−32 з простір роздулося в величезний розпечений кулю з розмірами багато великими видимої нами частини Всесвіту. У цьому сталося народження із вакууму реальних частинок, у тому числі згодом сформувалося речовина нашої Вселенной.

В останнім часом посилено обговорюються причини того первотолчка, який був початком розширень нашого Всесвіту. Одна з імовірних механізмів, заснований на гіпотезі про існування кванта єдиного простору-часу, описаний теоретично інфляційної Всесвіту. Розглянемо її основні тези і выводы.

А. Ейнштейн висунув ідею існуванні космічного відштовхування. Коли ж врахувати ці сили у рівняннях динаміки Всесвіту, те повне прискорення виявляється равным.

.

Ускорение тяжіння атяг.

.

а прискорення відштовхування аотт відповідно до гіпотезою Ейнштейна пропорційно R:

$а_{отт} = const cdot R.$.

Числовое значення константи у цій формулі можна знайти визначивши середню щільність речовини у Всесвіту. Нині вважається, що зовсім близько до 10−29 г/см3 и.

.

где — космологічна стала, рівна ~10−56 см-2.

Рассмотрим випадок, коли у Всесвіті немає речовини, вона порожня. У цьому М = 0 і атяг = 0. Динаміка Всесвіту описується прискоренням аотт. Можна показати, що заодно дві пробні частки, що вміщені у таку порожню Всесвіт, будуть підуть друг від друга по закону.

.

Согласно сучасних концепцій природознавства, вакуум не порожнеча, у фізичному вакуумі відбуваються процеси його й знищення віртуальних частинок. Це своєрідне кипіння вакууму не можна усунути, адже він означала б порушення однієї з основних законів квантової фізики, саме співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Як показав Я. В. Зельдович в 1967 року, внаслідок взаємодії віртуальних частинок в вакуумі з’являється деяка щільність енергії і виникає негативне тиск. Таке вакуумподобное стан хитливо, і з часом воно розпадається, перетворившись на звичайну гарячу матерію. Енергія вакуумподобного стану піде на енергію звичайній матерії, гравітаційне відштовхування зміниться звичайній гравітацією, замедляющей розширення. Відтоді Всесвіт почне розвиватися відомою стандартної космологічної гарячої моделі еволюції. Розглянемо вихідні становища цієї моделі і його основні результаты.

Горячая модель Всесвіту, як будь-який інший, виходить із спостережуваного нині факту його розширення пояснює три достовірно доконаних факти: наявність барионной асиметрії Всесвіту; космічне ставлення числа фотонів до баріонів, приблизно однакова 109; однорідність і ізотропність реліктового випромінювання. Теорія Великого Вибуху в наші дні вважається загальноприйнятої. Відповідно до цієї теорії, наш Всесвіт розвивалася з початкового стану, що можна у вигляді згустку надщільного розпеченій матерії. Випромінення і речовина у ньому перебувають у тепловому рівновазі. У цьому ранньої Всесвіту фотони ефективно взаємодіяли з речовиною, а число частинок було одно числу античастиц.

Для пояснення барионной асиметрії Всесвіту передбачається, що розпад лептокварков приміром із перевищенням числа новонароджуваних кварків над антикварками. Виходячи з що спостерігається зараз барионной асиметрії, число кварків має ставитися до антикварков як 1000 1: 1 000 000 000. Фізичним обгрунтуванням такого припущення є існування у мікросвіті процесів, що з порушенням зарядовим симетрії (розпад К0-мезонов). У цьому важливим і те, що барионная асиметрія залежить від початкових умов. Народжені внаслідок розпаду лептокварков антикварки і кварки анігілюють, невеличкий ж надлишок кварків виживає і є матеріалом, з яких будується речовина Всесвіту. Нейтрони і протони — основні будівельні елементи нашого речовини — з’являються через 10−6 з після Великого Вибуху. До часу з переважна більшість енергії згустку міститься в випромінюванні, після цього історичного моменту у зв’язку з освітою протонів — в речовині. У міру розширення і остигання Всесвіту в останній момент часу t = 3 хв 44 з починається освіту стабільних ядер легких елементів — ера космологічного нуклеосинтезу. Тривалість цієї ери невелика — всього півгодини. Розрахована за цією моделлю концентрація гелію у Всесвіті (близько 25% щодо маси) збігаються з даними астрофізичних наблюдений.

После ери космологічного нуклеосинтезу Всесвіт тихо вистигає. Її температура знижується настільки, що електрони починають з'єднуватися з ядрами, створюючи атоми. Енергії фотонів бракує їхнього руйнації, відразу ж випромінювання відривається від речовини. Подальша еволюція випромінювання відбувається у повній відповідності до законами теплового випромінювання. Теоретичне значення температури цього реліктового випромінювання, дожив донині, з точністю відповідає експериментальним даним. Отже, лише водень і гелій утворюються власне у великому Вибуху. Важкі елементи утворюються пізніше у надрах зірок і розсіюються у просторі завдяки зоряним взрывам.

Для її подальшого розвитку найважливішим представляється те що найперші хвилини освіти нашого Всесвіту сформувався той набір фізичних закономірностей і фундаментальних постійних, що й зумовили хід наступної еволюції Всесвіту.

2. Фундаментальні світові постоянные

Фундаментальные світові постійні - це такі константи, що дають інформацію про найзагальніших, основних властивості матерії [2]. І це, наприклад, ставляться G, з, e, h, me та інших. Загальне, що об'єднує ці константи, — це у них інформація. Так, гравітаційна стала G є кількісної характеристикою універсального, властивого всіх об'єктах Всесвіту взаємодії - тяжіння. Швидкість світла з є максимально можлива швидкість поширення будь-яких взаємодій у природі. Елементарний заряд e — це мінімум можливе значення електричного заряду, існуючого у природі у вільному стані (які мають дробовими електричними зарядами кварки, очевидно, в вільному стані існують у надщільного та гарячої кварк-глюонної плазмі). Постійна Планка h визначає мінімальне зміна фізичної величини, званої дією, і відіграє фундаментальну роль фізиці мікросвіту. Маса спокою me електрона є характеристикою інерційних властивостей стабільної легчайшей зарядженої елементарної частицы.

Константой деякою теорії ми називаємо значення, яке у межах теорії вважається завжди незмінним. Наявність констант при висловлюваннях багатьох законів природи відбиває відносну незмінність розв’язання тих чи інших сторін реальної буденної дійсності, проявляющуюся у наявності закономерностей.

Сами фундаментальні постійні G, з, e, h є єдиними всім ділянок Всесвіт і з часом не змінюються (звідси кажуть спостереження та стандартна теорія), через це їх називають світовими постійними. Деякі комбінації світових постійних визначають щось істотна за структурі об'єктів природи, і навіть формують характер деяких фундаментальних теорій. Так, визначає розмір просторової області для атомних явищ, а — характерні енергії тих явищ. Квант для великомасштабного магнітного потоку в надпровідниках задається величиной. Гранична маса для стаціонарних астрофізичних об'єктів визначається комбинацией, де mN — усереднена маса нуклона.

Анализ розмірностей фундаментальних постійних призводить до новому розумінню проблеми та. Окремі розмірні фундаментальні постійні, як зазначалося вище, грають визначальну роль структурі відповідних фізичних теорій. Коли ж ідеться про створення єдиного теоретичного описи всіх фізичних процесів, формування жодної наукової картини світу, розмірні фізичні постійні поступаються місце безрозмірним фундаментальним константам, таким, как, , , , me / mp і (mn — mp)/ mN. Роль цих постійних у формуванні структури та властивостей Всесвіту дуже великий. Постійна тонкої структури ae є кількісної характеристикою однієї з чотирьох фундаментальних взаємодій, існуючих у природі, — електромагнітного. Крім електромагнітного взаємодії фундаментальними взаємодіями є також гравітаційне, сильне і слабке. Існування безрозмірною константи електромагнітного взаємодії передбачає, очевидно, наявність аналогічних безрозмірних констант, є характеристиками інших трьох типів взаємодій. Ці константи також характеризуються такими безрозмірними фундаментальними постоянными:

константа сильного взаимодействия;

константа слабкого взаємодії.

.

где величина Дж м3 — стала Фермі для слабких взаимодействий;

константа гравітаційного взаємодії.

.

Числовые значення констант, , і визначають відносну силу цих взаємодій. Так, електромагнітне взаємодія приблизно 137 разів слабкіша за сильного. Константи взаємодії визначають також, як швидко йдуть перетворення одних частинок до інших у різних процесах. Константа електромагнітного взаємодії описує перетворення будь-яких заряджених частинок ті ж частки, але зі зміною стану руху плюс фотон. Константа сильного взаємодії є кількісної характеристикою взаємних перетворень баріонів з участю мезонів. Константа слабкого взаємодії визначає інтенсивність перетворень елементарних частинок у процесах з участю нейтрино і антинейтрино.

Необходимо зазначити ще одну безрозмірну фізичну константу, визначальну розмірність фізичного простору, яку позначимо через N. Нам є звичним те, що фізичні події розігруються в тривимірному просторі, тобто N = 3, хоча розвиток фізики неодноразово зумовлювало появі понять, не укладывающихся в здоровий глузд, але які відбивають реальні процеси, існуючі в природе.

Таким чином, класичні розмірні фундаментальні постійні грають визначальну роль структурі відповідних фізичних теорій. У тому числі формуються фундаментальні безрозмірні постійні єдиної теорії взаимодействий, , и. Ці та деяких інших константи, і навіть розмірність простору N визначають структуру Всесвіту роздивилися й її властивості.

3. Антропный космологічний принцип

Почему з безкінечною області різноманітних значень фундаментальних фізичних постійних, характеризуючих фізичні взаємодії, і безкінечного розмаїття початкових умов, які можуть існувати на вельми ранньої Всесвіту, реалізуються розміру й умови, що призводять до цілком конкретного набору особливостей, можна побачити нами? У просторі N вимірів точкові джерела взаємодіють із силой, де r — відстань між джерелами. Можна показати, що стійкі руху двох тіл, взаємодіючих за таким законом, відсутні при N > 3. Ще 20-ті роки ХХ століття П. Эренфест показав, якби число просторових координат N було дорівнює чотирьом, то ми не було б замкнутих орбіт планет і, природно, Сонячної системи та людини. При N = 4 була б неможливою також атомна структура речовини. При N < 2 рух відбувається у обмеженою області. Тільки за N = 3 можливі як пов’язані, і незв’язані руху, що саме і реалізується у що спостерігається Вселенной.

Исследования показують, що Всесвіт, у якій живемо, вдало пристосована до нашого існування. Основні властивості Всесвіту пояснюються значеннями кількох фундаментальних постійних (гравітаційна стала, маса протона й електрону, заряд електрона, швидкість світла, і др.).

В що спостерігається Всесвіту існує дивовижне збіг, вірніше, узгодження енергії розширення Всесвіт і гравітаційної енергії, значення фундаментальних констант гравітаційного, сильного, електромагнітного взаємодій мають такі значення, що забезпечують можливість виникнення галактик і зірок, зокрема стабільних, в яких термоядерні реакції протікають багато мільярдів лет.

Для ілюстрації зв’язку характеристик Всесвіту з фізичними константами уявіть собі, що було б за зміни значень фундаментальних світових постійних. Наприклад, якби маса електрона був у три-чотири рази вищі її нинішнього значення, той час існування нейтрального атома водню обчислювалася б кілька днів. Це призвело б до того що, що галактики і зірки перебували б з нейтронів й багатоманітності атомів і молекул, в сучасному вигляді просто більше не існувало бы.

Современная структура Всесвіту дуже жорстко обумовлена величиной, тобто різницею масах нейтрона і протона. Різниця дуже мала і становить лише близько 10−3 від безлічі протона. Але якби її було впроваджено тричі більше, то у Всесвіті було б нуклеосинтез у ній було б складних елементів. Збільшення константи сильного взаємодії всього на кілька відсотків призвело б до з того що вже у перші хвилини розширення Всесвіту водень повністю вигорів ще й основний елемент у ній був би гелий.

Константа електромагнітного взаємодії не може істотно відхилятися від значення 1/137. Якби, наприклад, у неї 1/80, усі частки, мають безліч спокою, аннигилировали ще й Всесвіт полягала тільки б з безмассовых частинок.

Достаточно було б порівняно невеликого відмінності констант від насправді, щоб або галактики і зірки взагалі встигли виникнути до часів (якби константа гравітаційного взаємодії панувала 8−10% менше), або зірки еволюціонували занадто швидко (коли б було більше на 8−10%). У співвідношенні констант виявлено такі тонкощі, що, наприклад, константа сильного взаємодії забезпечує перебіг ядерного синтезу у надрах зірок із заснуванням вуглецю і кисню, що поставляються до космосу при вибуху наднових зірок і служать в подальшому матеріалом на формування зірок другого покоління на кшталт Сонця і планетних систем. Зрозуміло, що й невеликого відхилення від константи сильного взаємодії було досить, щоб життя в Землі виявилася неможливою. Якби величини цих констант кілька відрізнялися від своїх значень, то властивості Всесвіту були б зовсім іншими. Ці властивості є умовами виникнення тієї форми життя, що є Землі. Сутність антропного принципу у цьому, що таке життя є невід'ємною частиною Всесвіту, природним наслідком її еволюції. Ми, в такий спосіб, що наш реальна Всесвіт разюче пристосована до виникнення та розвитку у ній існуючої форми життя. Можна сміливо сказати, що мені просто пощастило — константи в Метагалактиці виявилися сприятливими для виникнення життя, тому ми існуємо і пізнаємо Всесвіт. Але поруч із такий Метагалактикою є багатьох інших з іншими константами, з іншим розподілом матерії, геометрією і навіть, можливо, коїться з іншими размерностями простору, цілком невідповідними не для життя, з умовами, які важко вообразить.

Другие Метагалактики — це світи інших констант. Деякі їх зовсім несхожі на форумі нашу Всесвіт, але цілком можливо, що у якихось метагалактиках є й світло розумні существа.

Суть антропного принципу, сформульованого Г. М. Идлисом з американського Інституту історії природознавства РАН в 1958 року, наступного: Всесвіт така, якою її бачимо, що у ній існуємо ми, тобто спостерігачі, здатні задатися питанням про властивості Всесвіту. За інших параметрах у Всесвіті неможливі складні структури та життя відомих нам формах [3].

Выше відзначалося, що й невеликі зміни фундаментальних постійних призводять до якісних змін властивостей Всесвіту, зокрема до існування складних структур, отже, і життя [4].

.

Возможность узгодженого та образу сильної зміни всього набору фізичних констант, параметрів Всесвіту (а принципі, й фізичних законів) те щоб отримати моделі інших вселених, у яких виконані якщо не достатні, так хоча б необхідні умови до виникнення складних структур і життя, представляється цікавою. Звісно, таке завдання у його обсязі поки нерозв’язна, у роботі [3] автори обмежилися розглядом можливих взаємозалежних змін двох констант и. Дозволені області параметрів і утворюють два острова стійкості структур (рис. 2). Крапка Про відповідає нашого Всесвіту. Розрахунки вчених показують, політика щодо, А «У «З «D «освіту складних структур і життя неможливо, оскільки мінімальна маса об'єкта у цій галузі порядку 10−5 р (маса порошини). Всесвіти ж, у яких значення фундаментальних постійних дещо відрізняються таких у нашого Всесвіту, але у яких можливо існування життя, можуть існувати (область АВСD). У ньому виконуються необхідних освіти складних структур умови, область ж необхідних і належних умов може істотно меньшей.

Заключение

В нашого Всесвіту відбулася досить-таки точна припасування числових значень фундаментальних констант, необхідні існування її основних структурних елементів: ядер, атомів, зірок і галактик. Їх стійкість створює умови на формування складніших неорганічних і органічних структур, а кінцевому підсумку і життя. Сутність антропного космологічного принципу у тому, що таке життя є невід'ємною частиною Всесвіту, природним наслідком її еволюції. Через те, що в ранньої Всесвіту реалізувалися розміру й умови, що призвели до цілком конкретною значенням сучасних фундаментальних фізичних постійних, характеризуючих фізичні взаємодії, з’явилася можливість наявність відомої нам Всесвіту, і маємо можливість пізнавати саме її [5]. У цьому виникає досить цікавий і складний від усіх точок зору запитання про причини існування такої початковій підгонки значень фундаментальних постійних. Сподіватимемося те що, що майбутнє науки відповість цей вопрос.

Литература

1. Лінді А. Д. Раздувающаяся Всесвіт // Успіхи фіз. наук. 1984. Т. 144, вип. 2.

2. Спиридонов О. П. Фундаментальні фізичні постійні. М.: Высш. шк., 1991. 236 с.

3. Новиков І.Дз., Полнарев О. Г., Розенталь И. Л. Числові значення фундаментальних постійних і антропный принцип // Изв. АН ЭССР. 1982. Т. 31, N 3.

4. Розенталь И. Л. Фізичні закономірності і числові значення фундаментальних констант // Успіхи фіз. наук. 1980. Т. 131, вип. 2.

5. Сутт Т. Я. Ідея глобального еволюціонізму і принцип антропности. М., 1986.

Рецензент статті В. М. Липунов.