Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла
Шрифт:
Приведенные примеры показывают, что значений констант зачастую выглядят так, как будто природа специально «подгоняла» эти значения для того, чтобы могли появиться сложные структуры во Вселенной и, в конце концов, чтобы могла появиться жизнь. При этом природе «приходится» устраивать иногда значительные флуктуации от типичных значений констант, устраивать весьма «тонкую настройку» законов физики.
Заметим, что существует еще одна «странность» в сегодняшней Вселенной. Речь идет о совпадении по порядку значений времени существования типичной звезды и времени, протекшем с начала расширения Вселенной.
Это совпадение действительно выглядит
Так что же означает близость этих времен — случайное совпадение или что-то важное?
Сравнительно недавно возник новый научный подход, который пытается ответить на этот вопрос, а также объяснить все особенности и «странности» нашей Вселенной (некоторые из них уже рассмотрены выше),. Известный советский космолог А. Л. Зельманов, характеризуя этот подход, сказал: «Мы являемся свидетелями данных событий потому, что другие события протекают без свидетелей». Эти слова выражают суть так называемого антропного принципа.
Что это за принцип и какое отношение имеет он к рассматриваемым проблемам?
Прежде всего заметим, что сложные формы движения материи — например, такие, как сложные химические соединения, жизнь и тем более разумная жизнь, могли возникнуть во Вселенной только на определенном этапе ее развития, близком к нашей эпохе. Действительно, сложная химия и жизнь, по крайней мере в известных нам формах, требует существования планет земного типа, вероятно, с океанами, обогреваемыми достаточно близкой звездой, свечение которой длительно не меняется. Для развития жизни, конечно, нужна сложная химия и благоприятные условия в течение многих миллиардов лет.
Перечисленных условий заведомо не было в далеком прошлом Вселенной, когда не существовало ни звезд, ни планет. Не может жизнь начать зарождаться, по-видимому, и в далеком будущем, когда звезды погаснут, и тем более — в очень отдаленном будущем, когда распадутся тяжелые частицы, превращаясь в свет и нейтрино.
Отсюда первый вывод — жизнь и разумная жизнь нашего типа могут возникнуть во Вселенной во вполне определенный выделенный период — в нашу эпоху, когда есть для этого условия.
Таким образом антропный принцип объясняет, казалось бы, странное совпадение времени существования звезды и Вселенной. Это объясняется так: для нашего появления во Вселенной должно выполняться примерное равенство возраста Вселенной времени существования звезды, что на первый взгляд казалось загадочным.
Другой вывод антропного принципа состоит в том, что наблюдатели («свидетели») могут появиться только при определенном наборе физических констант, при определенных физических законах, о чем мы говорили выше. Если и были (или может быть есть?) другие вселенные, с иными законами, то они существуют без сложных структур, а, значит, без «свидетелей». В них никогда не появляется жизнь. Таким образом, наша Вселенная такая, как мы ее видим именно потому, что мы в ней есть.
Антроцный принцип активно разрабатывался и разрабатывается сейчас известными физиками и астрономами: Р. Дикке, Г. Гамовым, П. Дираком, С. Хоукингом, Я. Б. Зельдовичем,
Еще одной фундаментальной особенностью нашего мира является тот факт, что физическое пространство почему-то трехмерно; не двумерно, не пятимерно, а именно трехмерно. То, что здесь кроется какая-то загадка, физики осознали достаточно давно. Еще Э. Мах прямо и недвусмысленно ставил вопрос: «Почему пространство трехмерно?» Серьезный анализ проблемы был начат знаменитым физиком П. Эренфестом.
Чтобы попытаться осознать суть этой проблемы, можно поступить аналогично тому, как уже делалось с другими фундаментальными константами — мысленно изменить число измерений пространства, т. е. постараться представить, что было бы, если бы пространство имело размерность, отличную от трех.
Мы остановимся здесь на рассмотрении лишь некоторых изменений в простейших физических взаимодействиях, которые произойдут при вариации размерности пространства.
Одним из самых простых примеров физических взаимодействий является закон Кулона для покоящихся зарядов и закон Ньютона для тяготеющих масс. В обоих случаях сила взаимодействия ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния F ∝ 1/r2. Однако еще И. Кант понял, что закон обратных квадратов есть следствие трехмерности нашего пространства. В самом деле, почему сила, например, электростатического взаимодействия ослабевает с расстоянием? Наиболее наглядный ответ заключается в том, что с ростом r силовые линии поля распределяются на все большей поверхности сферы, охватывающей заряд и имеющей радиус r. Площадь сферы растет как r2, значит, плотность силовых линий,
пронизывающих эту сферу, уменьшается ~ 1/r2, что и определяет закон изменения силы. Но сказанное справедливо только в трехмерном пространстве. Если пространство четырехмерно, то площадь трехмерной сферы (геометрического места точек, равноудаленных от центра в четырехмерном пространстве) пропорциональна r3, а для пространства N измерений эта площадь пропорциональна rN– 1. Отсюда и закон изменения электростатической и гравитационной силы в N-мерном пространстве F ∝ 1/rN– 1. Почему так важно изменение закона падения силы в пространстве размерности N? Рассмотрим движение пробного заряда на круговой орбите вокруг центрального заряженного тела (с зарядом противоположного знака, чтобы было притяжение) в пространстве любой размерности N. Пусть задан момент количества движения заряда (он не может меняться при движении). Тогда центробежные силы будут пропорциональны 1/r3 и не зависят от N. Из механики известно, что
для существования устойчивых круговых орбит необходимо, чтобы центробежные силы уменьшались с расстоянием быстрее, чем F. Иначе движение по кругу будет неустойчивым и малейшее возмущение приведет либо к падению заряда к центру, либо к удалению его в бесконечность. А отсутствие устойчивых круговых орбит означает отсутствие вообще связанных состояний, когда заряд движется в ограниченной области пространства вокруг центрального тела. Отсюда следует, что для существования связанных состояний необходимо N ≤ 3. Этот результат был распространен впоследствии на квантовую механику.