Книга: Занимательная астрофизика

Вселенная и человек

Вселенная и человек

Осознание человеком с научных позиций своего места во Вселенной, взаимосвязи своего существования с окружающим миром, составляет основу нашего научного мировоззрения.

Именно этот вопрос — о месте человека и человечества в мироздании — всегда был одним из центральных вопросов мировоззрения. И если разобраться, то, в сущности, именно вокруг этого вопроса во все времена развертывалась и продолжается по сей день борьба науки и религии. Внешне она принимала различные формы, но всегда была отражением различного понимания отношения человека к миру и своего места в нем.

В то же время следует подчеркнуть, что вопрос о месте человека и человечества в мироздании, а также о взаимосвязи и взаимозависимости земных явлений и космических факторов в наше время имеет не только мировоззренческое, но и прямое практическое значение. С развертыванием научно-технической революции, с бурным развитием науки, техники и технологии, наконец, с выводом человека в космическое пространство многие свершения земного человечества приобретают не только глобальный, но и космический характер. Человечество, в непосредственном значении этого слова, становится космической цивилизацией. А это означает, что в своей практической деятельности человечеству во все большей и большей степени придется учитывать закономерности космических явлений.

Действительно, строение живых организмов тесно связано с теми конкретными физическими условиями, в которых они непосредственно существуют. В частности, многие свойства земных организмов определяются физическими условиями, существующими на Земле. Так, глаз человека наиболее чувствителен к желто-зеленым лучам, поскольку в солнечном излучении максимум энергии приходится на желто-зеленую область. Строение скелета и мышечного аппарата человека и животных, а также химического состава костной ткани определяется величиной силы тяжести, которая в свою очередь зависит от массы нашей планеты. Вспомним, какие нарушения могут возникать и в работе мышц, и в системе кровообращения, и в химическом составе костной ткани в тех случаях, когда человек длительное время находится в условиях космического полета в состоянии невесомости.

Существенную роль для земных организмов играет уровень естественной радиоактивности у поверхности Земли, наличие в атмосфере слоя озона, задерживающего ультрафиолетовую радиацию Солнца, а также существование магнитного поля, создающего непреодолимый барьер для частиц высоких энергий, пронизывающих космической пространство. Немаловажное значение имеет и определенный ритм колебаний солнечной активности.

Наряду с этим существуют взаимосвязи и взаимозависимости и более высокого — космологического порядка.

Еще в пятидесятые годы советский космолог А. Л. Зельманов высказал интересное соображение: мы являемся непосредственными свидетелями природных процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекает без свидетелей.

Впоследствии американский ученый Б. Картер сформулировал тот же принцип в более парадоксальной форме. Он использовал знаменитое высказывание французского философа Декарта: «Я мыслю — значит, я существую». В интерпретации Картера оно звучит так: «Я мыслю, поэтому мир таков, каков он есть»[26].

Аналогичные идеи можно встретить и в работах других современных физиков и астрофизиков. Так, выдающийся современный физик, ученик А. Эйнштейна Д. Уилер в одной из своих книг подчеркнул, что существующего во Вселенной порядка вещей могло и не быть без человека, но поскольку есть человек, то Вселенная обладает именно теми свойствами, какими она обладает.

Другой известный ученый — английский астрофизик П. Девис в своей книге «Пространство и время в современной картине Вселенной» высказывает похожую мысль о том, что наличие жизни накладывает ограничения на свойства Вселенной — они должны быть в той или иной мере определенными.

Понимать это, разумеется, надо не так, что человек может силой мысли изменять свойства Вселенной, а так, что в иной Вселенной, обладающей иными свойствами, мы просто не могли бы ни появиться, ни существовать, ни мыслить. И такую Вселенную мы не могли бы ни наблюдать, ни изучать. Как справедливо заметил П. Девис, «…если бы все было не таким, каково оно есть, нас здесь просто бы не было и мы не могли бы выражать свое удивление»[27]).

Эти утверждения вошли в современную науку под названием «принципа Зельманова-Картера» или «антропного принципа».

Обычно вопрос ставился так: существует Вселенная с определенными свойствами, которые человек познает в процессе ее изучения? Как происходит эволюция этой Вселенной, как в ходе этой эволюции образуются сложные структуры и как возникают жизнь и человек? Именно в этом плане рассматривалась и возможность существования жизни в других регионах Вселенной и методов ее поиска. Таков, так сказать, классический подход к проблеме.

Антропный принцип — это, по существу, совершенно иная постановка вопроса о взаимосвязи фундаментальных свойств Вселенной с фактом существования жизни и человека.

Суть его состоит в следующем: Вселенная такая потому, что есть мы, разумные существа, «наблюдатели», способные задавать вопросы об ее свойствах.

Что же касается малой вероятности осуществления именно такого сочетания свойств, то мы не знаем, как много вариантов иных вселенных осуществилось до того, как реализовался наш вариант с благоприятными для возникновения жизни параметрами, или какое число вселенных, обладающих иными свойствами, существует в материальном мире наряду с нашей.

Таким образом, речь, идет о сложной взаимосвязи и взаимозависимости между свойствами Вселенной и порожденными ходом развития материи жизнью и разумом. Как мы уже знаем, все звездные острова — галактики — разлетаются таким образом, что взаимные расстояния между ними с течением времени увеличиваются. И хотя даже ближайшие галактики отделены от нас огромными расстояниями, характер их движения имеет первостепенное значение для существования жизни на Земле.

Дело в том, что удаление источника электромагнитного излучения порождает так называемый эффект Доплера — сдвиг излучения к красной части спектра в сторону более низких частот и более длинных волн. А чем ниже частота электромагнитного излучения, тем меньшую энергию оно с собой переносит.

Благодаря эффекту Доплера излучение взаимоудаляющихся галактик смещается в менее интенсивную часть спектра излучения. В итоге «средняя температура» Вселенной сказывается сравнительно небольшой, допускающее возможность существования биологической жизни.

А если бы галактики сближались? Тогда вместо красного смещения происходило бы фиолетовое — сдвиг излучения в сторону больших частот и более коротковолновых, жестких излучений. При этом условии все небо светилось бы так же ослепительно ярко, как светится диск Солнца, — на нас обрушивался бы испепеляющий поток излучения, приблизительно в 200 тысяч раз превосходящий по своей интенсивности солнечный свет. Плотность излучения была бы настолько велика, что в такой Вселенной жизнь не могла бы существовать, более того, не могли бы существовать даже планеты — они просто испарились бы!

Даже в том случае, если бы Вселенная просто не расширялась или темп расширения был менее значительным, то общая интенсивность фона излучения была бы столь велика, что в нашем мире не могло бы ничего появиться, ничего хотя бы отдаленным образом напоминающего белковую форму жизни.

Следовательно, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем именно красное смещение в спектрах галактик.

Разбегание галактик — это не только ослабление плотности излучения, делающее возможным существование биологической жизни. Расширяющаяся Вселенная — это Вселенная изменяющаяся: ее прошлое не тождественна настоящему, а настоящее — будущему. Если мысленно повернуть картину разбегания галактик вспять, то мы придем к выводу о том, что около 18 миллиардов лет назад не было ни звезд, ни галактик, ни планет, ни туманностей. Существовал только компактный сгусток сверхплотной горячей плазмы. Затем началось взрывное расширение этого сгустка, стали возникать неоднородности среды; их дальнейшая эволюция привела к формированию многообразного мира космических объектов, составляющих «население» современной Вселенной.

Но меняется не только Вселенная. Многие космические объекты также находятся в нестационарных состояниях. В сравнительно короткие по астрономическим масштабам промежутки времени они испытывают глубокие качественные превращения, качественные скачки, в этих объектах совершаются превращения материи, ее переходы из одного состояния в другое, сопровождающиеся выделением колоссальных количеств энергии и даже взрывными явлениями. К числу таких нестационарных объектов относятся, например, квазары и ядра некоторых галактик.

Таким образом, мы живем в нестационарной Вселенной, в которой на различных уровнях существования материи совершаются необратимые физические процессы. Осознание этого факта имеет существенное значение для всей нашей практической деятельности.

Так же тесно и весьма критическим образом свойства жизни на Земле связаны и со многими другими фундаментальными свойствами астрономического мира, в частности с конкретным ходом образования тяжелых элементов в процессе эволюции Вселенной. Выявляется грандиозная взаимозависимость между начальными условиями эволюции Вселенной и конкретными физическими предпосылками появления жизни. Становится ясно, что средой обитания жизни является не только поверхность нашей планеты, но и окружающий мир Солнечной систему, и Галактика с ее специфическими свойствами, и вся наша Вселенная.

Земная жизнь предстает закономерным результатом предшествующего развития материи не как локальное явление, а как глобальный итог множества различных причин и следствий, работающих во «вселенском» масштабе.

Наша Вселенная, ее фундаментальные свойства, в том числе структура, которой она обладает, начиная от элементарных частиц и вплоть до сверхскоплений галактик, самым тесным образом связаны и со значениями физических констант, а также формой действующих в ней физических закономерностей. Эти константы и закономерности обеспечили формирование в процессе эволюции нашей Вселенной таких условий, при которых возникает возможность образования сложных систем и сложных форм движения, а в конечном счете — жизни и человека.

Фундаментальные константы, определяющие свойства Вселенной, занимают среди огромного многообразия различных физических величин, которые входят в структуру основных физических теорий, совершенно особое место. К их числу относятся скорость света в пустоте (с), заряд (е) и масса (m_е) электрона, так называемая постоянная Планка (G), гравитационная постоянная (G) и некоторые другие. Эти константы отражают наиболее глубокие, основополагающие свойства окружающего нас мира, и поэтому их не случайно называют иногда «константами Вселенной». Они неизменно фигурируют в основных уравнениях современной теоретической физики. Постоянная Планка t_l=1,05·10^-27 эрг·с = 1,05·10^-33.Дж·с связывает между собой в квантовой теории энергию E и циклическую частоту фотона со известным соотношением Е=ђ?.

Скорость света с входит в уже знакомое нам соотношение специальной теории относительности Эйнштейна, известное под названием принципа эквивалентности.

Что же касается заряда и массы электрона, то эти величины характеризуют не только свойства этой конкретной элементарной частицы, но и многих других материальных образований.

Фундаментальные константы тесно связаны с уже знакомыми нам четырьмя типами физических взаимодействий: ядерным, или сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Так, постоянная тяготения G характеризует силу тяготения, а заряд электрона е является количественной характеристикой электромагнитных сил. Аналогичную роль для сильных и слабых взаимодействий играют соответственно константы gs и g_F (постоянная Ферми).

С помощью фундаментальных констант можно охарактеризовать физические взаимодействия безразмерными константами: слабого взаимодействия a_w, электромагнитного а_e(так называемая «постоянная тонкой структуры»), сильного аs; и гравитационного a_g. Их несложно получить, рассмотрев отношение энергии каждого из взаимодействий, скажем, с энергией фотона.

В результате мы определим следующие приближенные числовые значения констант взаимодействия:

где т_р — масса протона.

Путем сравнения полученных чисел нетрудно установить, что электромагнитное взаимодействие приблизительно в 100 раз слабее сильного, слабое в 1000 раз слабее электромагнитного, a гравитационное взаимодействие еще в 10³⁹ раз слабее.

В 1937 г. известный физик П. Дирак высказал предположение о том, что фундаментальные физические константы медленно изменяются с течением времени, и, следовательно, в отдаленном прошлом на ранних стадиях эволюции Вселенной их значения могли весьма существенно отличаться от современных.

В частности, согласно гипотезе Дирака гравитационная постоянная убывает пропорционально возрасту Вселенной. Подобное явление должно было бы вызывать определенные астрономические и геофизические следствия, например, некоторое расширение Земли и планет. Оценка возможных эффектов такого рода показала, что уменьшение G во всяком случае не превосходит 10^-10 в год. Однако изменяется ли фактически постоянная тяготения или нет, пока сказать нельзя. Во всяком случае специальные измерения и наблюдения, проведенные в последние годы, этой гипотезы не подтвердили. С большой степенью точности установлено, что значения фундаментальных констант остаются неизменными. Видимо, и в самом начале расширения они были такими же, как в нашу эпоху.

То особое место, которое занимают фундаментальные константы в физике, предопределяет необходимость как можно более точного определения их значений. Задача любой физической теории в конечном счете сводится к возможно более точному количественному описанию соотношений и зависимостей реального мира, Но коль скоро в уравнения физических теорий входят фундаментальные константы, результаты теоретико-физических расчетов тем вернее отразят реальное положение вещей, чем точнее нам будут известны значения констант.

Назначение обычных физических теорий состоит в том, чтобы дать достаточно полное описание тех или иных физических систем, исходя из определенных начальных условий и основных физических констант. Вопрос, почему начальные данные именно таковы, в этих теориях не ставится.

Иное дело в космологии. Фундаментальные физические константы и связанные с ними константы взаимодействия определяют структуру нашей Вселенной. Возможно, значения этих констант содержались уже в начальных условиях, существовавших в той сверхплотной горячей плазме, в результате расширения которой сформировалась наша Вселенная. Поэтому вопрос о начальных условиях и основных физических константах непосредственно связан с вопросом о том, почему наша Вселенная именно такая как есть, а не какая-нибудь иная? Но почему эти константы именно такие, а не другие? Возможно, к ответу на этот фундаментальный вопрос мы приблизимся, отвечая на другой вопрос: какими были бы свойства нашей Вселенной при иных значениях фундаментальных констант?

На первый взгляд может показаться, что небольшие изменения некоторых параметров вызовут лишь несущественные количественные перемены во Вселенной. Так, скажем, изменение размеров атомов приведет к соответствующим изменениям масштабов всех предметов и объектов, а изменение гравитационной константы — к изменению размеров небесных тел и сроков их эволюции. Но ничего принципиального не произойдет: Вселенная в общих чертах останется такой же как и прежде.

Однако расчеты показывают, что это далеко не так. Даже сравнительно небольшие изменения фундаментальных констант неизбежно, повлекли бы за собой глубокие качественные изменения свойств Вселенной, исключающие возможность существования сложных структур.

Предположим, например, что заряд электрона увеличился в 10 раз по сравнению с существующим. В этом случае в соответствии с законом Кулона возросли бы силы электростатического отталкивания между атомными ядрами и тот «кулоновский барьер», который необходимо преодолеть для слияния ядер в термоядерных реакциях. В результате приблизительно на два порядка увеличилась бы масса вещества, необходимая для самоподдержания таких реакций.

Можно показать, что в этом случае в современной Вселенной не существовало бы звезд с массами, сравнимыми с массой Солнца. Все такие звезды уже сколлапсировали бы и превратились либо в белые карлики, либо в нейтронные звезды.

А если бы возросла в 10 раз масса протона, то верхняя граница массы нейтронных звезд уменьшилась бы в 100 раз и единственной конечной стадией жизни звезд стали бы черные дыры.

Весьма существенно повлияли бы на характер физических процессов, происходящих во Вселенной, и изменения таких величин как масса электрона или пиона (пи-мезона), которые согласно существующим представлениям никак не связаны с такими фундаментальными константами как гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света и масса протона. Так, например, если увеличить массу электрона более чем в 2,5 раза, не смогут существовать атомы водорода. С другой стороны, если уменьшить в 1,3 раза безразмерную постоянную электромагнитного взаимодействия а_е, то окажется невозможным существование атомов химических элементов с атомным номером больше, чем 4. Увеличение безразмерной постоянной тяготения а_е в 1000 раз исключит возможность существования протонов. И так далее, и тому подобное…

Сравнительно узкие границы возможных вариаций фундаментальных физических констант, в пределах которых еще возможно существование сложных систем, убедительно свидетельствуют в пользу уникальности того «набора» физических констант, который имеет место в нашей Вселенной.

Это обстоятельство в принципе может быть истолковано как отражение одной из двух возможностей, о которых косвенно уже было упомянуто выше. Одна из них состоит в том, что наша Вселенная прошла через множество циклов расширения и сжатия, в начале каждого из которых складывался определенный «набор» физических констант, изменявшийся от цикла к циклу таким образом, что в современном цикле сформировалось их сочетание, благоприятное для образования сложных структур и жизни. Вторая возможность заключается в том, что в материальном мире существует множество Вселенных, для каждой из которых характерен свой «набор» физических констант.

Правда, исследования, проведенные физиками-теоретиками в последние годы, показали, что если изменять некоторые из фундаментальных постоянных совместно, то существует определенная область их значений, при которых все же сохраняется возможность образования в соответствующей Вселенной сложных структур. Однако размеры этой области, судя по полученным данным, весьма ограниченны.

Все сказанное позволяет сформулировать антропный принцип в несколько иной форме, чем это было сделано выше. Ни в какой другой Вселенной с иными законами физики и существенно отличающимися физическими свойствами невозможно образование сложных устойчивых структурных элементов — атомов, молекул, планет, звезд и галактик, а также существование высокоорганизованной органической материи.

Именно это обстоятельство и нашло свое отражение в рассказе «Сценарий для Вселенной».

В свое время Коперник, построив и обосновав гелиоцентрическую систему мира, совершил величайший переворот в существовавших до этого представлениях о мироздании. Попутно выяснилось, что видимые движения небесных светил — это движения кажущиеся, возникающие вследствие вращения Земли вокруг своей оси и ее обращения вокруг Солнца. Тем самым в науку прочно вошел важнейший принцип: мир может быть не таким, каким мы его непосредственно наблюдаем, — принцип, ставший одной из идейных основ всего дальнейшего развития естествознания.

На рубеже XIX и XX столетий произошла революция в физике, которая в дальнейшем переросла в революцию в естествознании вообще. Оказалось, что механическая картина мира, построенная классической физикой и представлявшаяся к концу XIX века близкой к завершению, в действительности отражает лишь одну из сторон, граней окружающей нас физической реальности. Эта революция привела не только к бурному развитию новой неклассической физики, в том числе квантовой физики и теории относительности, но и к осознанию бесконечного разнообразия и неисчерпаемости материального мира. Стало ясно, что любая научная теория имеет определенные границы применимости, а открытие новых фактов, лежащих за этими границами, требует создания более общих теорий, включающих в себя прежние теории в качестве предельных случаев.

В XX столетии, можно сказать на наших глазах, развернулась вторая революция в астрономии, в ходе которой был открыт целый ряд неизвестных ранее явлений во Вселенной, необычных с точки зрения существовавших представлений, и выяснилось, что на всех уровнях Вселенной во всех масштабах происходит эволюция, что все космические объекты имеют определенную историю, изменяются с течением времени. Этот вывод явился, так сказать, методологическим итогом революции в современной астрономии, превратившим астрофизику в эволюционную науку. Однако, судя по всему, конкретные открытия, связанные с этой революцией, будут продолжаться и могут привести к обнаружению, новых неизвестных космических процессов и к более глубокому пониманию физической сущности мегаскопических явлений, в частности к дальнейшему выяснению взаимосвязи между микропроцессами и процессами космического порядка.

Таковы важнейшие, фундаментальные этапы развития научных представлений о Вселенной. В этом свете появление «антропного принципа» и его осмысление с позиций диалектического материализма, возможно, является новым качественным скачком, знаменующим собой выход на качественно новый уровень совершенствования наших представлений о мироздании.

Ведь, этот принцип приводит нас к уже упомянутому выводу о том, что скорее всего наша Вселенная не исчерпывает собой материального мира, к заключению о вероятном существовании множества, быть может бесчисленного, других вселенных — «Метавселенной».

Поэтому не исключено, что открытие «антропного принципа» может послужить началом новой очередной революции в естествознании.

Правда, пока в рамках возможностей современных методов астрофизических исследований «другие вселенные» являются ненаблюдаемыми. Однако заметим, что первоначальные факты, знаменовавшие собой развитие революций в естествознании, рождались в границах традиционных представлений и в результате использования уже существовавших методов. Но дальнейшее изучение этих фактов вызывало к жизни и новые способы исследования, которые в свою очередь приводили к открытию новых фактов. И так далее. Такова диалектика познания.

Как уже было отмечено выше, наше существование тесно связано со всем предшествующим ходом развития материи в нашей Вселенной: появлением химических элементов, которые синтезировались в недрах звезд и при вспышках сверхновых звезд, образованием планет и т. п. Таким образом, наш организм как бы отражает все предшествующие этапы эволюции Вселенной. Если бы хотя бы один из них не осуществился, мы не могли бы появиться и существовать.

Таким образом, Вселенная в полном смысле слова является средой нашего обитания. И свойства этой среды, а также закономерности ее изменений мы должны изучать с не меньшей тщательностью, чем изучаем свойства земной среды.

Наукой о свойствах космической среды и является астрофизика.

В свое время еще Карл Маркс предсказывал, что развитие естественных и общественных наук неизбежно приведет к тому, что вся наука превратится в науку о Человеке.

Этот процесс, который можно назвать процессом гуманизации науки, в том числе и современного естествознания, уже происходит. Коснулся он и науки о Вселенной. В прошлом на ученого-астронома нередко смотрели как на человека, уединившегося от мира для наблюдения явлений, не имеющих никакого отношения к земным делам. Впрочем, подобные представления и тогда не соответствовали действительности, поскольку астрономия как наука возникла именно для удовлетворения практических потребностей людей. Произошло это еще в глубокой древности, когда наши предки ощутили потребность ориентироваться в пространстве и во времени. Решать эти задачи им помогали наблюдения небесных светил. И на протяжении многих столетий астрономия исправно выполняла эти свои функции.

Задачи и возможности современной науки о Вселенной неизмеримо шире. И многие проблемы, которые она решает и, в особенности, будет решать в обозримом будущем, имеют важнейшее общечеловеческое значение. Не только потому, что знания, добытые в глубинах космоса, позволит людям поставить себе на службу новые силы природы и новые источники энергии. Но еще и потому, что астрономия, познавая строение Вселенной, вносит весьма существенный вклад в формирование научной картины мира. А научная картина мира — это основа нашего материалистического мировоззрения. Мировоззрения, основанного не на простом созерцании и простой регистрации фактов, а формирующегося в результате активной деятельности человека.

То обстоятельство, что мы живем в расширяющейся нестационарной Вселенной, в которой протекают необратимые физические процессы, делает особенно необходимым такое научное прогнозирование дальнейших путей развития земной цивилизации, которое принимало бы во внимание и космические закономерности.

Мы хотели бы закончить нашу книгу словами академика Я. Б. Зельдовича: «Вопрос о том, как устроен окружающий нас мир, по-прежнему стоит перед физикой, и многое еще неясно… Сейчас в физике — период, когда мы отчетливо видим вопросы, которые надо задавать природе, чтобы успешно продвигаться вперед в понимании устройства материи».