Антропный принцип или загадка идеальных чисел Вселенной4
Когда начинаешь всерьёз копаться и разбираться в том, как устроена Вселенная, довольно быстро приходишь к одной мысли, от которой становится не по себе. Вернее, возникает некое недоумение. Как-то подозрительно слишком хорошо всё работает.
Не «примерно», не «кое-как», а именно так что малейшее отклонение и ничего бы не было.
Ни атомов, ни звёзд, ни химии, ни времени в привычном смысле.
И уж точно никого, кто мог бы спросить «а почему?».
Это ощущение и породило одну из самых странных, спорных и при этом почти неизбежных идей современной физики. Называется она антропный принцип. Звучит заумно, но на деле это попытка ответить на вопрос - почему Вселенная такая удобная для нас?
Давайте сразу к делу. Есть фундаментальные константы. Это такие числа, которые определяют, как именно работает наш мир. Сила гравитации, заряд электрона, масса кварков, скорость расширения пространства, плотность вакуумной энергии. В общем, набор параметров, без которых ничего не работает. И вот что выяснилось, когда физики начали эти числа изучать.
Если многие из них изменить буквально на доли процента, Вселенная перестаёт быть похожей на ту, что мы знаем. Она становится либо хаотичной, либо абсолютно мёртвой. Без вариантов.
Не верите? Вот несколько примеров, и это не красивые метафоры, а результаты расчётов.
Гравитация.
Гравитационная постоянная, ну что о ней говорить. Вроде мелочь. Притягивает себе потихоньку, и ладно. Но именно её слабость ключевое свойство. Если бы гравитация была сильнее всего на одну часть из 10³⁴ (это число с тридцатью четырьмя нулями, если что), Вселенная схлопнулась бы слишком быстро, звёзды не успели бы сформироваться. Чуть слабее и материя не собралась бы в галактики, так и плавал бы разреженный газ, без всякой надежды на структуру.
Диапазон не просто узкий, он настолько узкий, что даже в физике высоких энергий его называют экстремальным. Без стабильных звёзд нет долгоживущих источников энергии, нет химической эволюции, нет времени для сложности. То есть жизнь не просто невозможна, а материя даже не доходит до стадии интересной химии.
Космологическая константа.
Это плотность энергии вакуума, которая отвечает за ускоренное расширение Вселенной. И вот здесь начинается почти абсурд. Теоретически, из квантовой физики, её значение должно быть огромным. Практически, по наблюдениям, оно в 10¹²⁰ раз меньше. Количество нолей в этом числе представили?
Это одно из самых больших расхождений между теорией и экспериментом в истории науки. Почему это важно для антропного принципа? Если бы космологическая константа была чуть больше, то Вселенная расширялась бы слишком быстро, материя не успела бы собраться в галактики. Чуть меньше (в сторону отрицательных значений) и Вселенная схлопнулась бы обратно. Это одно из самых больших расхождений в физике. Это число настолько экстремальное, что либо мы чего-то принципиально не понимаем, либо это не случайность.
Масса электрона и протона.
Если их изменить, электроны либо падают в ядра, либо атомы не удерживаются, либо молекулы не образуются. Диапазоны допустимых значений узкие до абсурда. То есть речь даже не о человеке, мозге или культуре. Речь вообще о существовании устойчивой материи.
Ядерные силы.
Это та сила, которая удерживает протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Измени эту силу на 2-3% в меньшую сторону, и дейтерий становится нестабильным, термоядерные реакции в звёздах невозможны. На несколько процентов сильнее и весь водород быстро превращается в гелий, нет воды, нет органической химии. В обоих случаях звёзды либо не зажигаются, либо сгорают слишком быстро, либо химия становится примитивной.
Каждый из этих параметров по отдельности уже выглядит странно. Но главное, они независимы. Нет никакого известного закона, который бы жёстко связывал гравитацию, космологическую константу, ядерные силы, массы частиц. Вообще никакого. И при этом - бац!, и все они одновременно находятся в разрешённом диапазоне. Это и создаёт ощущение того, что мы что то не понимаем. Либо существует скрытая глубокая теория, либо мы наблюдаем отбор, либо Вселенная не единственная. Антропный принцип тут вообще не ответ на вопрос. Это просто рамка, в которой физика вынуждена думать, куда дальше копать.
А теперь про углерод. Основа всей нашей жизни. Он возникает в звёздах через очень специфический квантовый резонанс, называется резонанс Хойла. Так вот.
Этот уровень энергии не обязан был существовать. Он не вытекает напрямую из каких-то общих симметрий или законов. Он просто взял и оказался ровно там, где нужно. Сместите его на полпроцента и углерода будет в десятки раз меньше. На один-два процента и его практически не будет вообще. Без углерода нет сложных молекул, нет биохимии, нет даже разговоров о жизни. Выглядит подозрительно, правда? Будто бы уже хочется задать вопрос, это просто совпадение или за этим стоит что-то более глубокое? И нет, я не про Бога.
Как на этот вопрос можно отвечать? Вариантов, кстати, несколько.
Самый простой вариант ответа это слабый антропный принцип. Звучит глупо и не научно, но по сути мы видим такую Вселенную, потому что в другой нас бы не было. И всё.
Вот представьте. Вы после какой-то гулянки очнулись в незнакомой комнате. В комнате есть кислород, дышится легко. Это не значит, что кто-то специально для вас вентиляцию настраивал. Просто в комнате без кислорода вы бы не очнулись. Глупо было бы удивляться: «О, воздух! Как удачно!» Вот и с Вселенной так же.
Но есть и более сильная версия. Она уже наглее: Вселенная обязана быть такой, чтобы в ней могли появиться наблюдатели. Да, с одной стороны объяснение «потому что иначе нельзя» это, знаете ли, не объяснение. Но вот других пока нет, с альтернативами не густо.
Один из способов убрать ощущение уникальной подгонки - предположить, что Вселенных много. Очень много. Миллиарды, триллионы, вообще бесконечно. И у каждой свои константы. В большинстве из них скукотища: нет звёзд, нет галактик, даже атомы не держатся. А нам просто повезло. Как в лотерее. Нам повезло просто потому, что кому-то должно было повезти.
Проблема в том, что мультивселенная почти не проверяема. Она красиво вылезает из некоторых теорий, например инфляции, но не подтверждена экспериментально. То есть нельзя прийти и ткнуть пальцем: «Вот она!». Она там, за горизонтом. А всё, что за горизонтом, уже на границе науки и философии. И это многих бесит, потому что если любую странность объяснять «это где-то там есть, просто не видно», то мы быстро скатываемся в гадание на кофейной гуще.
Есть и третий путь, самый оптимистичный.
А может, мы просто пока не доросли до правильной теории? Может, все константы на самом деле жёстко связаны и не могут быть другими. Тогда Вселенная вообще единственно возможная, и жизнь не случайность, а просто следствие того, как устроен мир.
Но пока это гипотеза надежды, а не теория. Теории всего нет. Связей между константами не обнаружено. Объяснений, почему гравитация именно такая, а космологическая константа именно такая тоже нет. Есть только аккуратные, неудобные совпадения.
Уф, сложна, и зачем нам это всё читать и знать, если можно просто мемчики полистать?
Потому что эта тема важна, даже если вы не физик. Потому что она меняет взгляд на реальность. Мы привыкли к тому что Вселенная это просто декорация, фон. Ну существует и существует, фиг с ней, лучше подумаю в чём завтра идти на работу.
А тут мысль, от которой не отмахнуться: сама возможность сложности встроена в фундамент мира. Не как цель или замысел, а просто узкое окно возможностей. И мы в него каким-то чудом пролезли. Физика пока не знает, почему законы природы именно такие. Но одно знает точно: чуть иначе и нет звёзд, нет химии. И даже вопроса «почему?» некому задать. Может, это просто эффект отбора наблюдателей. Может, след мультивселенной. А может, мы просто смотрим на поверхность, а там дальше глубокая структура, которую мы пока не умеем различать. Кто знает.
Еще один эксперимент провалился. Мир загорелся яркой вспышкой — и тут же сжался в точку, с которой все началось. Но, кажется, это было чуть медленнее, чем в прошлый раз. В глазах Брудля появилась надежда. Изменив значение начальной плотности на чуть меньшее, он чуть дрожащими руками нажал на кнопку компиляции.
Мир вспыхнул, прогорел несколько секунд и остыл. Среди бесчисленных битов в памяти машины плавали остывшие звезды, медленно коллапсировавшие в точки. Надо точнее подбирать значения ядерных взаимодействий, чтобы прогорание звезд не было столь быстрым.
Неожиданное сообщение прервало его размышления. Его друг Рыскл предлагал отвлечься от своего курсовика по теоретической физике и сделать одну лабораторку по теологии для одного двоечника с соседнего факультета. Деньги этот балбес предлагал неплохие, да и работа с искусственным обществом представлялась по крайней мере интересной.
Скачав необходимые программы и руководства из Сети, он запустил первую модель общества. В маленьком уютненьком мирке расположил большую пирамиду, вокруг которой немедленно собрались последователи Культа Великой Пирамиды. По-быстрому склепав отчет об этой супермегасложной лабораторке, Брудль задумался. Скачанные им программы имитировали искусственный интеллект, который также мог быть перенесен отдельным объектам-индивидуумам. Кафедра теологии рассматривала это только как способ имитировать поклонение богам, но ведь можно использовать этот продукт по-другому! Спустя час, загнав виртуальных обитателей на мир, где из законов действовала только гравитация, он через каких-то 10000 лет виртуальной симуляции получил от этих существ вывод закона обратных квадратов! Брудль ухмыльнулся.
Его курсовик предполагал подбирание физических констант так, чтобы получался долгоживущий мир, отдаленно напоминающий тот, в котором жил он сам. Некоторые из констант уже были определены согласно индивидуальному варианту Брудля, осталось найти остальные.
Поскольку задача перед ним стояла достаточно большая, Брудль не стал мелочиться. За 6 дней он создал планету, вращающуюся вокруг маленькой звезды, и населил ее разумными существами. Пока разум на планете только осознавал себя, Брудль продолжал настраивать этот уютный мир согласно своему заданию. Так, на расстояниях меньше 0.1 нанометра в этом мире преобладали случайные законы, правда, существа пока еще не могли этого заметить. Но они уже поняли, что их планета не плоская, так что, по примерным оценкам Брудля, скоро его работа завершится.
Брудль был талантливым программистом, но плохим физиком. У него не получалось осилить кривизну пространства-времени, но он мог смоделировать эти процессы на своей машине. Правда, в самом начале он забыл снизить коэффициент веры, так что его цивилизация поначалу глубоко застряла в религии. Но, как и любой разум, в итоге она начала сбрасывать эти оковы. Чтобы усилить этот процесс, Брудль скачал имитатор эволюции и запустил его в обратном направлении. После чего, скелеты полученных существ в случайном порядке были разбросаны по планете. После этого теория божественного происхождения жизни потеряла свои позиции, а наука в этом мире стала переживать свой золотой век.
Вовремя спохватившись, Брудль установил ограничение скорости света. Как только он это сделал, в мире тут же появилась теория кривизны пространства-времени. А спустя несколько десятков лет, прошедших для этого мира, он получил все необходимые значения констант от своих подопытных, которые, кстати, так и не перешли к единой теории всего. «И никогда не придут» - мрачно улыбнулся Брудль, ведь переход на квантовые эффекты был сделан простым условным оператором...
...
Джонатан проснулся. Не очень прилично засыпать во время доклада, тем более, если докладчик преодолел путь в несколько световых лет, чтобы зачитать его. Убедившись, что его минутную слабость никто не заметил, он попытался сконцентрироваться на происходящем.
- … итогом нашего исследования стало обнаружение точных границ так называемых сфер Шварценгольда, которые окружают нашу планету. Последняя из обнаруженных нами границ лежит на расстоянии 8 световых лет от Земли, что, по нашим прикидкам, дает прогноз на следующую сферу на расстоянии 32 световых лет. Если такая зависимость постоянна для всей Вселенной, это значит, что реликтовое микроволновое излучение есть ни что иное, как арифметическая погрешность округления на мировой сетке.
Это дает нам повод полагать, что мы есть не что иное, как запущенная неким Создателем компьютерная программа, ориентированная, видимо, прежде всего на нас. Вот уже две сотни лет мы пытаемся найти теорию, которая бы соединяла теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию. Но не теория суперструн, ни теория петлевой квантовой гравитации, ни даже многообещающая теория колец не дала нам искомого объединения.
- Подождите, неужели вы считаете, что Создатель допустил такое грубое создание Вселенной, законы которой дают разную погрешность на различных расстояниях от нашей планеты?
- Нам неизвестны мотивы создателя, но, боюсь, все именно так. Земля представляет из себя постоянно смещающийся центр Вселенной. Возможно, Создатель не предполагал, что мы зайдем так далеко в своей науке.
- Может, еще скажете, что весь наш мир — это какая-то жалкая курсовая работа нерадивого студента?
В зале для заседаний поднялся шум. Кто-то смеялся, кто-то с пеной у рта что-то доказывал, а кто-то в отчаянии воздел руки к небу...
…
Брудль вернулся домой. Курсовую работу он с трудом, но все-таки сдал, так как не мог внятно (а тем более не мог честно) ответить на вопросы, как он вычислил правильные значения физических констант. Уставший, он оглядел свою машину. Он понял, что не выключил ее, и, должно быть, для цивилизации внутри ящика прошли тысячи лет. Брудля крайне заинтересовало то, узнали ли жители машины о том, что они не живут? Он стал вглядываться в экран. Обнаружив цивилизацию, которая к этому моменту расселилась по всей Галактике, Брудль крякнул.
…
Когда последняя из сотен тысяч звезд заняла свое место в надписи и послание было закончено, Фредерик облегченно вздохнул. На этот безумный проект ушли сотни лет и просто сумасшедшее количество энергии. Наконец-то он был закончен, и перед Фредом стоял стандартный вопрос, который задает себе любой человек, убивший полжизни на одно-единственное дело. Вопрос «Зачем?».
Он задал его второму оператору, которого звали Джон. Джонатан ехидно улыбался (если можно применить это слову к человеку, чей разум уже сотни лет обитает в роботизированном теле), но медлил с ответом.
…
Брудль не верящими глазами смотрел на Галактику внутри своей машины. А потом он рассмеялся.
…
- Знаешь, Фред, я живу уже более четырех тысяч лет. Я один из первых, кто переместил свой разум в машину... тогда немногие на это решались, но я подумал — раз уж я и так живу в машине, как и все люди и вся эта чертова Вселенная, тогда такой перенос мне точно не навредит. В тот день, когда вернулась Третья Звездная Экспедиция, обнаружившая точные границы Сфер Шварценгольда, я понял, что наш мир — не более чем фарс. Мы больше не нужны. Мы летаем в космос, двигаем звезды, мы можем делать все... но наша наука стоит на месте уже 4000 лет, а все из-за того, что нас криво спроектировали. Я просто в ярости от этого. Знаешь, я очень грею себя мыслью о том, что этот мерзавец прочтет наше послание. Надеюсь, ему будет стыдно.
…
Брудль надолго запомнил этот день. С тех пор он поклялся никогда не запускать программу, которая не была бы совершенна с самого начала. А для того, чтобы не забывать о своей клятве, на его рабочем столе было изображение галактики, самые яркие звезды которой были сгруппированы в надпись
ТВОЙ БЫДЛОКОД НАС ОГОРЧАЕТ...
Альтернативная концовка
Если не путать причину со следствием, то всё норм
Мне кажется, ничего сверхъестественного, что мы хотим своим человеческим мозгом увидеть - здесь нет. Да, значения констант действительно узки. Но откуда мы знаем, сколько у вселенной было "попыток"? Если их было бесконечно много - то результат закономерен. А если одна - то результат тоже закономерен - она просто такая и никакая другая. Будь значения чуть другие - была принципиально другая суть - и другая "жизнь" - если это было можно бы назвать так с нашей точки зрения. Думаю, тут нас обманывает наша же логика. С одной стороны она нас привела сюда и человеческий разум вещь уникальная, с другой стороны - в нас есть сопротивление всему что идет против логики, против нашего опыта, который мы копили лишь доли секунды в крохотном уголке мира - в масштабах вселенной. И он нас может обманывать. Например как с иррациональными числами - в свое время это поразило древний мир. Суммы бесконечно убывающий прогрессии, например - 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8... = 2 (причем строго, при условии бесконечности членов прогрессии). Скорость света. Миллиард контринтуинтивных вещей. А число Пи? Оно вообще странное. Но оно такой столп, что говорить об этом можно бесконечно. Тема интересная, спасибо. Каждый хоть раз о ней думал, смотря вечером в звездное небо. Поэтому нужно идти вперед, учиться, передавать знания и развивать. И как знать, возможно однажды мы узрим незримое?
Если в треугольнике добавить всего один угол, то треугольник перестанет существовать.
У меня есть ещё одна теория - вполне возможно что гибкая связь между законами есть, просто мы не не знаем. Например, чуть меньшая гравитационная постоянная хорошо работает при чуть больших массах частиц. Мы просто фиксируем жёстко одни числа, потом замеряем допуски других. Но если применять принцип самобалансировки то, возможно, конфигураций - бесконечное множество. Можно удивляться тому, как точно подобрана скорость Земли, что она обращается вокруг Солнца за один год. Хотя год это определение как раз оборота Земли вокруг Солнца. При этом на самом деле скорость может быть очень разной для того же отрезка времени, просто при соответствующих длинах орбит. Более того, даже если отрезок времени будет другой, мы все равно назовем его годом.