Антропный принцип

Антропный принцип — аргумент «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек», утверждающий, почему в наблюдаемой нами Вселенной имеет место ряд нетривиальных соотношений между разнообразными фундаментальными физическими параметрами, которые способны привести к образованию разумной жизни.
Часто выделяют сильный и слабый антропные принципы.
Слабый антропный принцип: во Вселенной встречаются разные значения физических величин, но наблюдение некоторых значений более вероятно, поскольку в регионах, где величины принимают некоторые значения, жизнь более возможна.
Сильный антропный принцип: Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни.
Вариантом сильного АП является АПУ (Антропный принцип участия), сформулированный в 1983 году Джоном Уиллером: Наблюдатели необходимы для привнесения Вселенной в бытие. (Observers are necessary to bring the Universe into being.)
Подчеркнём, что в современной науке антропный принцип имеет статус любопытного наблюдения, которое не могло проводиться там, где не возникло разумной жизни, а следовательно и наблюдателя, способного увидеть следующие взаимосвязи.
Соотношения, необходимые для образования жизни
Численные значения многих безразмерных (то есть не зависящих от системы единиц) фундаментальных физических параметров, таких как отношения масс элементарных частиц, безразмерные константы фундаментальных взаимодействий, кажутся не подчинёнными никакой закономерности.
Однако выясняется, что если бы эти параметры отличались от своих наблюдаемых значений лишь на небольшую величину, разумная жизнь (в привычном нам понимании) не могла бы образоваться.
Размерность пространства
Прежде всего бросается в глаза тот факт, что только в трёхмерном пространстве может возникнуть то разнообразие явлений, которое мы наблюдаем. Так, для размерности пространства более трёх при принятии ньютоноподобного закона тяготения невозможны устойчивые орбиты планет в гравитационном поле звёзд. Более того, в этом случае невозможна была бы и атомная структура вещества (электроны падали бы на ядра даже в рамках квантовой механики). Именно, при числе измерений больше трёх квантовая механика предсказывает бесконечный спектр энергий электрона в атоме водорода, допускающий как положительные, так и отрицательные значения энергии. В случае размерностей меньше трёх движение всегда происходило бы в ограниченной области. Только при N = 3 возможны как устойчивые финитные, так и инфинитные движения.
Изложенные выше аргументы относятся к случаю нерелятивистского рассмотрения проблемы. Если же попытаться распространить общую теорию относительности как современную теорию гравитации на пространство-время с другим количеством пространственных измерений, то картина получается обратной: при двух пространственных измерениях гравитационно взаимодействующие тела ни при каких условиях не могут образовывать связной системы (это давно известно в ОТО и было обнаружено в 1960-ых гг.,), а при числе измерений пространства большем трёх гравитационное взаимодействие наоборот, настолько сильно, что не позволяет инфинитного движения тел. Таким образом, предельный переход общей теории относительности в ньютоновскую теорию тяготения возможен только в пространстве трёх измерений.
Значения масс электрона, протона и нейтрона
Свободный нейтрон тяжелее, чем система протон+электрон, и именно поэтому атом водорода стабилен. Если бы нейтрон был легче хотя бы на десятую долю процента, атом водорода быстро превращался бы в нейтрон. В результате материя имела бы лишь один уровень организации — ядерный, а атомов и молекул не существовало бы вовсе.
Существование дейтрона и несуществование дипротона
Известно, что для образования связанного состояния двух частиц (в обычном, трёхмерном пространстве) необходимо не только, чтобы они притягивались, но и чтоб это притяжение было достаточно сильным. Притяжение между протоном и нейтроном оказывается почти «на грани»: их связанное состояние (дейтрон) существует, однако оно слабо связано и потому имеет довольно большие геометрические размеры. Это приводит к тому, что реакция горения водорода в звёздах идёт очень эффективно. Если бы сила протон-нейтронного взаимодействия была бы меньше, дейтрон был бы нестабилен, и вся цепочка горения водорода оборвалась. Если бы константа связи была заметно сильнее, то размеры дейтрона были бы меньше, и реакция горения шла бы не столь интенсивно. И в том, и в другом случае оказалось бы, что звёзды горели бы менее интенсивно, что не могло бы не сказаться на жизни.
С другой стороны, известно, что два протона связанное состояние не образуют: сильное взаимодействие хоть и превышает кулоновский барьер, но всё же недостаточно сильно. Если бы константа сильного взаимодействия была бы немного сильнее, то дипротоны были бы стабильными частицами. Это имело бы катастрофические последствия для эволюции Вселенной: в первые же её дни весь водород выгорел бы в гелий, и дальнейшее существование звёзд оказалось бы невозможным.
Резонанс в ядре углерода-12
Известно, что вначале во Вселенной материя практически полностью находилась в виде водорода и гелия. Ядра гелия крайне стабильны сами по себе, и потому совершенно неочевидно, что в процессе горения звёзд должны в больших количествах образовываться более тяжёлые элементы. Действительно, уже на первом этапе имеется препятствие: два ядра гелия не образуют стабильное ядро бериллия-8 (этот нуклид распадается за 10?18 с). Нет сколько-нибудь стабильных ядер и с массовым числом A=5, которые могли бы образоваться при слиянии альфа-частицы с протоном или нейтроном. В принципе, три ядра гелия-4 могут образовать стабильное ядро углерода-12, однако вероятность одновременного столкновения трёх альфа-частиц столь мала, что без «посторонней помощи» скорость такой реакции была бы ничтожна для образования значительного количества углерода даже на астрономических временах.
Роль такой посторонней помощи играет резонанс (возбуждённое состояние) углерода-12 с энергией 7,65 МэВ. Будучи практически вырожденым по энергии с состоянием трёх альфа-частиц, он кардинально увеличивает сечение реакции и убыстряет процесс горения гелия. Именно благодаря ему на конечной стадии звёздной эволюции образуются тяжёлые элементы, которые после взрыва сверхновых разлетаются в пространстве и впоследствии образуют планеты.
В приниципе, наличие ядерных резонансов не представляет собой ничего удивительного. По-настоящему необычным является лишь случайное («подобранное») численное значение энергии возбуждения резонанса. Так, в работе H. Oberhummer, A. Csoto, and H. Schlattl, Science 289, 88 (2000); Nucl. Phys. A 689, 269c (2001) (nucl-th/9810057) показано, что если бы константа нуклон-нуклонного взаимодействия отличалась хотя бы на 4 %, углерод в звёздах практически не образовывался бы.
Параметры электрослабого взаимодействия
В работе V.Agrawal et al., Phys.Rev. D57 (1998) 5480-5492 показано, что для образования достаточно сложных наборов химических элементов требуется, чтобы среднее значение хиггсовского поля в электрослабой теории не превышало наблюдаемое значение ( ГэВ) более, чем в пять раз.
Поле Хиггса или хиггсовское поле — гипотетическое поле, названное в честь английского физика Питера Хиггса, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).
Наличие хиггсовского поля является неотъемлемой частью теории Вайнберга-Салама (Стандартной модели), объединившей слабое и электромагнитное взаимодействия. С помощью этого поля объясняется наличие массы частиц-переносчиков слабого взаимодействия (W и Z бозоны) и отсутствие массы у частицы-переносчика электромагнитного взаимодействия (фотон).
Пока хиггсовский бозон — это единственная из частиц Стандартной модели, которая пока еще не обнаружена. Предсказанные Стандартной моделью W и Z бозоны обладали параметрами, совпадающими с полученными с очень высокой точностью. Но о массе хиггсовского бозона эта модель ничего не говорит, и для ответа на вопрос о массе хиггсовской частицы и связанных с ней параметрами хиггсовского поля необходимы экспериментальные исследования.
С введением в строй нового поколения ускорителей, особенно LHC (Большой Адронный Коллайдер), который в сентябре 2008 года был введён в строй в ЦЕРНе, Швейцария, ученые надеются обнаружить хиггсовский бозон и изучить взаимодействия различных частиц с полем Хиггса.
Статус антропного принципа в современной физике
В целом, учитывая изложенные аргументы, возникает ощущение, что во Вселенной всё «настроено» для того, чтобы жизнь смогла образоваться и просуществовать достаточно долго. Этим ощущением, как аргументом, пользуются креационисты — сторонники Теории Разумного Творения. Однако, математик М. Икеда и астроном У. Джефферис утверждают, что это ощущение является следствием неверной интуитивной оценки условных вероятностей.
  • Идея множественности миров в инфляционной модели как основа слабого антропного принципа
  • Детерминированность фундаментальных параметров как аргумент против антропного принципа
    Антропный принцип и принцип Коперника
    Антропный принцип вступает в видимое противоречие с космологическим принципом Коперника, утверждающим, что место, где существует человечество, не является привилегированным, как-то выделенным среди других. Если расширить понятие «место» на всю Вселенную, то отмеченные выше соотношения между фундаментальными константами, делающие возможным существование достаточно высокоорганизованной материи, являются необходимыми для возникновения разумной жизни, и, следовательно, лишь некоторые из ансамбля возможных вселенных являются пригодными для обитания; в этом смысле выделенными являются определённые области в пространстве параметров. В обычном физическом пространстве Солнечная система также занимает достаточно специальное положение — её орбита в Галактике находится на так называемой коротационной окружности, где период обращения звезды вокруг ядра Галактики совпадает с периодом обращения спиральных рукавов — мест активного звездообразования. Таким образом, Солнце (в отличие от большинства звёзд Галактики) очень редко проходит сквозь рукава, где вероятны близкие вспышки сверхновых с возможными фатальными последствиями для жизни на Земле.
    Синтезом антропного принципа и принципа Коперника является утверждение, что выделенными являются области возможных параметров, существенных для возникновения разумной жизни, тогда как параметры, конкретные значения которых не влияют на вероятность возникновения разумной жизни, не тяготеют к каким-то специальным значениям. Так, положение, которое занимает во Вселенной наша Галактика — одна из миллиардов спиральных галактик, ничем не выделено.


    Статья предоставлена Человечковым Максимом, студент гр. ДПи8
  • Похожие новости