Почему так, а не иначе?

Сентябрь 1985 года, семнадцатое число — день рождения К. Э. Циолковского. Ровно двадцать лет назад в этот же день в Калуге открылись первые чтения, посвященные разработке научного наследия и развитию идей основоположника космонавтики.
Его интересы были необычайно широки — от чисто технических задач, связанных с развитием воздухоплавания и космическими полетами, до философских проблем освоения Вселенной. Поэтому и тематика ежегодных калужских чтений всегда охватывает обширный круг вопросов.
Наряду с очередными проблемами ракетно-космической техники здесь обсуждаются наиболее интересные идеи из области физики и астрофизики, выявляется их философский смысл. А самые животрепещущие проблемы современного естествознания выносятся на межсекционное заседание. На юбилейных, двадцатых чтениях оно было посвящено так называемому антропному принципу.

Немного истории
Почему Вселенная, в которой мы живем, обладает именно такими, а не какими-либо иными свойствами, почему в ней протекают вполне определенные физические процессы, существуют вполне определенные космические объекты, наконец, почему во Вселенной есть человек? Это интересовало еще Аристотеля. По мере развития наших знаний о мире подобные вопросы возникали все чащи и приобретали все более конкретный характер.
Однако на все эти вопросы существовал, по сути дела, единственный ответ: наша Вселенная такая потому... что она именно такая, а не какая-нибудь другая. Казалось, что на достигнутом уровне наших знаний о законах природы и строении материи это самое большее, что мы можем сказать.
Между тем еще в самом начале нашего века К. Э. Циолковский одним из первых высказал весьма интересную мысль. Если мы скажем, что мир всегда был, есть и будет, и на этом остановимся, то мы не объясним, почему мир таков, почему его законы таковы и могли ли они быть другими, писал он. Но поскольку человеческое существование не случайно, то и тот космос, который мы знаем, не мог быть иным.
Однако в эпоху, когда жил Циолковский, эта   идея   намного   опережала   уровень   астрофизических знаний и фактически осталась незамеченной. Лишь во второй половине двадцатого столетия она получила дальнейшее развитие в трудах ряда советских и иностранных ученых, которые постепенно стали наполнять высказанную в самой общей форме мысль Циолковского конкретным физическим и астрофизическим содержанием.
В середине пятидесятых годов советский астрофизик Г. М. Идлис обратил внимание, на то, что законы физики в нашей Вселенной таковы, что они «разрешают» существование атомов, звезд, планет и жизни. А несколько позже другой советский астрофизик, А. Л. Зельманов, сформулировал очень важное положение: человек является непосредственным свидетелем природных процессов определенного типа потому, что процессы иного типа протекают без свидетелей. Аналогичные идеи появились и в работах других современных физиков и астрофизиков. Например, один из учеников Эйнштейна, выдающийся физик-теоретик Д. Уилер, в одной из своих книг отметил, что существующего во Вселенной порядка вещей могло и не быть без человека, но поскольку есть человек, то Вселенная обладает теми свойствами, какими она обладает. А известный английский астрофизик П. Девис в своей книге «Пространство   и   время   в   современной   картине мира» высказал мысль, что существование жизни накладывает ограничения на свойства Вселенной — они должны быть в той или иной мере определенными. Другими словами, в иной Вселенной, обладающей иными свойствами, мы просто не могли бы появиться и существовать, и такую Вселенную некому было бы ни наблюдать, ни изучать. «Если бы все было не таким, каково оно есть, нас здесь просто бы не было и мы не могли бы выражать свое удивление»,— писал П. Де-вис. Пожалуй, в наиболее парадоксальной форме подобные идеи сформулировал английский физик и математик Б. Картер, перефразировав в своей книге «Космология: теория и наблюдения» известный афоризм Р. Декарта таким образом: «Я мыслю, поэтому мир таков, какой он есть». Суммируя то общее, что содержится во всех этих высказываниях, можно сформулировать принцип, получивший в современном естествознании и философии название антропного: «Мы существуем потому, что Вселенная такая, какая она есть». Или несколько иначе: «Наша Вселенная такая потому, что есть мы, разумные существа, «наблюдатели», способные задавать вопросы об ее свойствах». Нетрудно видеть, что обе формулировки совершенно эквивалентны: главное в них — идея связи между существованием человечества и фундаментальными свойствами Вселенной.
И этим они  коренным образом отличаются от тривиального утверждения, что «Вселенная такая, потому что она такая...»

Новая «звезда» на небосклоне науки
Антропный принцип — это утверждение общенаучное, философское, его называют даже новой яркой звездой, взошедшей на небосклоне современной философии. И хотя сам по себе он ничего не объясняет, он дает новое направление исследовательской мысли, способствует постановке и изучению ряда вопросов, на которые прежде не обращали особого внимания. Один из подобных вопросов можно сформулировать так: какие именно свойства Вселенной обеспечивают наше существование?
Ответить на него далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд. Ведь для того чтобы убедиться, что какое-то свойство Вселенной имеет решающее значение для нашего существования, надо показать, что при его отсутствии жизнь не могла бы возникнуть и развиваться.
Появление и развитие жизни во Вселенной, а следовательно и наше существование, зависит прежде всего от предшествующего хода эволюции. Согласно современным научным представлениям, на одной из ранних стадий расширения Вселенной сформировались ядра атомов легких химических элементов — водорода и гелия. Затем в расширяющейся среде стали появляться   неоднородности, своеобразные «сгущения», которые дали начало образованию звезд и галактик. В недрах звезд «вспыхнули» термоядерные реакции, в ходе которых осуществлялся синтез более тяжелых химических элементов, вплоть до железа. Массивные звезды взрывались, сбрасывали свои верхние слои. В этих расширяющихся газовых оболочках возникали условия для формирования еще более тяжелых элементов. Около Солнца, а по всей вероятности и около некоторых других звезд, стали формироваться планеты. И по крайней мере на одной из них — на Земле — около четырех миллиардов лет назад сложились условия, благоприятные для возникновения жизни...
Эволюция материи не есть что-то совершенно случайное и хаотическое — основная направленность и ход этого процесса определяются фундаментальными закономерностями и основными физическими свойствами, присущими нашей Вселенной. Одно из самых фундаментальных ее свойств — «разбегание», галактик. Есть ли какая-либо связь между этим обстоятельством и существованием жизни на Земле? На первый взгляд — нет, ведь даже ближайшие галактики находятся от Солнечной системы на расстояниях в миллионы световых лет. Так не все ли нам равно, как они движутся относительно друг друга?
Оказывается, не все равно! Звездные острова Вселенной — это мощные источники электромагнитного излучения. И благодаря разбеганию галактик их суммарное излучение приходит в каждую точку космического пространства сильно ослабленным. А вот если бы галактики сближались, плотность радиации в любой точке космоса, а значит, и температура космической среды оказались бы столь велики, что в такой Вселенной возможность существования не только биологической жизни, но и каких-либо сложных структур вообще была бы полностью исключена. Стало быть, мы не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной.
Другое необходимое условие существования жизни — трехмерность нашего пространства. Вообще говоря, физики и математики оперируют с пространствами, обладающими и большим числом измерений. И никто не доказал, что подобные пространства в материальном мире не могут реально существовать. Но способна ли в таких пространствах возникать и развиваться жизнь? Что касается пространств одномерных и двухмерных, то в них осуществимы лишь такие движения, при которых образование сложных структур весьма маловероятно. В пространстве же, обладающем четырьмя или большим числом измерений, все круговые траектории оказываются неустойчивыми — планеты там не могли бы обращаться вокруг своих звезд, они либо падали на них, либо улетали в бесконечность. И атмосфере не удалось бы удержаться около таких планет, поскольку в многомерных пространствах сила тяготения убывает с расстоянием значительно быстрее, чем в трехмерном.
Самым прямым образом связана с возможностью жизни во Вселенной и так называемая средняя плотность материи. Из уравнений общей теории относительности следует, что в том случае, если средняя плотность меньше некоторой критической величины, Вселенная будет расширяться неограниченно. Если же она больше критической, расширение со временем должно смениться сжатием. Согласно последним астрофизическим данным, реальная средняя плотность в современной Вселенной близка к критической. Но это именно то условие, выполнение которого необходимо для образования живых структур! Если бы средняя плотность была немного меньше критической, то в такой «разреженной» Вселенной силы инерции преобладали над силами тяготения. Иными словами, тяготение оказывало бы весьма незначительное воздействие на характер движения материальных объектов, и потому не смогли бы появиться начальные возмущения плотности за счет гравитационной неустойчивости, и, стало быть, никогда не сформировались бы ни звезды, ни галактики. Значит, не образовались бы и спутники звезд — планеты, то есть те космические тела,  на  которых только и может развиться жизнь.
Столь же неблагоприятная ситуация сложилась бы и в том случае, если бы средняя плотность значительно превосходила критическую. Дело в том, что с увеличением средней плотности быстро уменьшается тот промежуток времени, который отделяет начало расширения Вселенной от того момента, когда это расширение переходит в сжатие. Оно и понятно: чем больше материи во Вселенной, тем скорее силы тяготения «затормозят», остановят разбегающиеся галактики и заставят их повернуть вспять. Но при коротком цикле пульсаций Вселенной для формирования разумных существ просто не хватит времени.
Примерно такое же значение, как и средняя плотность, имеет скорость «разбегания» галактик. Согласно астрономическим наблюдениям, чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. При этом скорость удаления пропорциональна расстоянию. Коэффициент пропорциональности в этом уравнении получил название постоянной Хаббла — по имени американского астронома, впервые обнаружившего это явление, и равен приблизительно 75 километрам на мегапарсек. Если бы скорость разбегания была несколько больше, то Метагалактика уже давно начала сжиматься  и  жизнь в  ней  не успела  бы  развиться. А при большей скорости, как и в случае малой средней плотности, условия для формирования галактик оказались бы не очень благоприятными.
Структура и характер эволюции нашей Вселенной зависят и от числовых значений фундаментальных физических констант, характеризующих четыре типа известных современной науке физических взаимодействий — электромагнитного, гравитационного, слабого и сильного. К ним следует добавить заряд и массу электрона и еще кое-какие физические соотношения. Существующие в нашей Вселенной значения этих постоянных как раз и определяют совокупность тех физических условий, которые обеспечивают возможность существования сложных структур и жизни. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что если бы фундаментальные постоянные имели численные значения, хотя бы немного отличающиеся от тех, что они имеют, то это исключало бы возможность существования любых сложных структур — не только живых организмов, но даже атомов.
Так, например, одной из промежуточных стадий в основной реакции термоядерного синтеза, обеспечивающей выделение внутри-звездной энергии, является образование так называемого дейтона — ядра тяжелого водорода дейтерия, частицы, состоящей из двух протонов. Если бы энергия связи нуклонов в дейтоне была меньше, чем она есть, то, как следует из формул теоретической физики, структура Вселенной претерпела бы существенные изменения. В этом случае дейтон оказался бы нестабильным, и образование ядер — нуклеосинтез — стало бы невозможным. Вселенная целиком состояла бы из водорода, никакие сложные элементы в ней не могли бы образоваться, а звезды, если бы возникали, то очень быстро коллапсировали.
Наоборот, даже при незначительном увеличении энергии связи между нуклонами в дейтоне (чему соответствует увеличение константы сильного взаимодействия всего на несколько процентов) ядерная реакция, при которой два протона объединяются в ядро гелия с образованием гамма-кванта, протекала бы с очень большой скоростью. А реакция, при которой два протона объединяются в ядро дейтерия с образованием позитрона и нейтрино, была бы подавлена. В результате весь водород выгорел бы уже в первые минуты расширения Вселенной, и она практически целиком состояла бы из гелия.
Нуклеосинтез во Вселенной был бы невозможен и в том случае, если бы протоны не обладали массой, значительно превосходящей массу электрона. Расчеты показывают, что в случае, если бы масса электрона была в три раза больше существующей, то время «жизни» атома водорода составляло бы всего один месяц, а если бы в четыре раза — то одни сутки. При таком положении вещей уже на той стадии расширения Вселенной, когда образовался нейтральный водород, он сразу распался бы и превратился в нейтроны и нейтрино. А это значит, что сформировавшиеся в дальнейшем звезды и галактики целиком состояли бы из одних нейтронов. В такой Вселенной тоже не было бы ни атомов, ни молекул.

Почему так, а не иначе?
Образование структуры Вселенной — это процесс, развертывающийся во времени, и одна из задач космологии — науки о строении и эволюции нашего мира — состоит в том, чтобы выяснить, как те или иные формы существования материи возникали из предшествующих и как при этом формировались определенные физические свойства.
В последние годы теория расширяющейся Вселенной получила новое развитие, и это позволило до некоторой степени объяснить по крайней мере некоторые из тех фактов, о которых шла речь. Родилась идея так называемой «раздувающейся Вселенной», согласно которой на начальных этапах расширения за ничтожные доли секунды ее объем увеличился в 1050 раз. Это расширение развивалось подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью инфляции. Поэтому иногда «раздувающуюся» Вселенную называют «инфляционной» Вселенной.
Теория, о которой идет речь, основана на представлении о том, что образование нашей Вселенной представляет собой результат флюктуации физического вакуума, скрытой формы существования материи, ее перехода из одного состояния в другое. При этом удается преодолеть многие трудности, с которыми сталкивалась теория расширяющейся Вселенной. В частности, объяснить, почему средняя плотность близка к критической,— как раз такова была плотность одного из фазовых состояний вакуума в процессе инфляционного «распухания» Вселенной.
Нащупывается подход и к объяснению трехмерности нашего пространства. Согласно некоторым теоретическим разработкам, мы в действительности живем не в трехмерном, а в многомерном пространстве. Однако во всех направлениях, кроме трех взаимно перпендикулярных, наше пространство «свернуто». Поэтому-то оно и представляется нам трехмерным: мы можем перемещаться в нем лишь в этих трех направлениях. Предполагается, что в первые мгновения расширения Вселенной пространство было многомерным, но когда расширение перешло в «раздувание», пространство по ряду направлений «свернулось». Правда, теория «инфляционной» Вселенной пока не объясняет, почему оно свернулось именно таким, а не каким-либо иным образом.
Примерно то же самое можно сказать и о средней плотности. Да, по теории ее величина определяется свойствами физического вакуума. Но о самих этих свойствах наши представления пока носят сугубо гипотетический характер.
В связи с этим возникает фундаментальный вопрос: поскольку набор физических констант в нашей Вселенной уникален, а все уникальное чрезвычайно маловероятно, то каким образом столь маловероятный комплекс условий все же осуществился?
С точки зрения антропного принципа, есть две возможности. Одна из них состоит в том, что наша Вселенная прошла через бесчисленное множество последовательных циклов расширения и сжатия, в начале каждого из которых складывался свой набор физических констант, изменявшийся от цикла к циклу. И мы появились на свет в том цикле, в котором сформировалось сочетание физических постоянных и других свойств, благоприятное для образования сложных структур и живых систем. Другая возможность заключается в том, что в материальном мире существует бесчисленное множество различных вселенных, для каждой из которых характерен свой комплекс физических констант и свойств. И мы существуем в той из них, свойства которой допускают формирование живых организмов.
И в том и в другом случае вопрос о том, как мог реализоваться случайным образом уникальный и потому маловероятный набор физических констант, фактически снимается. Поскольку число возможностей, то есть циклов расширения-сжатия, или различных вселенных, бесконечно, нет ничего невозможного в том, что в одном из этих циклов, или в одной из этих вселенных, осуществилось необходимое для жизни сочетание условий. Астрономические и астрофизические исследования последних десятилетий показали, что наша планета — по крайней мере, в пределах Солнечной системы — уникальное небесное тело. Уникальное потому, что именно на Земле в процессе ее естественной эволюции сложился комплекс физических и других условий, обеспечивших возможность возникновения и развития живых организмов.
Прежде всего, Земля находится на таком расстоянии от Солнца, при котором она получает оптимальное для обеспечения жизни количество энергии — света и тепла. Земля — единственная среди планет Солнечной системы обладает гидросферой, жидкой водной оболочкой. А вода входит в состав живой клетки, живого вещества. По всей вероятности, немаловажное значение для появления и развития жизни на Земле сыграли и другие обстоятельства — соответствующий химический состав первичной атмосферы, оптимальная сила тяжести, состав солнечной радиации, наличие определенных химических элементов, и т. д. и т. п.
Кроме того, существует еще два чрезвычайно важных геофизических фактора, благодаря которым мы существуем. Речь идет прежде всего о слое озона, который есть в воздушной оболочке Земли. Озон поглощает жесткую ультрафиолетовую радиацию Солнца, которая, не будь этого препятствия, могла бы довольно быстро уничтожить все живое на Земле. Другой наш «защитник» — магнитное поле Земли. У человека нет органа чувств, который бы воспринимал воздействие земного магнетизма. Но это невидимое и неощутимое магнитное поле отражает или захватывает частицы высоких энергий, пронизывающие космическое пространство и губительные для всего живого...
Одним словом, можно сформулировать «малый», или «частный», антропный принцип, относящийся уже не ко всей Вселенной, а непосредственно к Земле: «Земля такая, какая она есть, потому, что на ней обитает человек». Мы можем теперь повторить те же самые рассуждения, которые привели нас к выводу о множественности вселенных, и с большой долей вероятности предсказать, что в Метагалактике должно существовать весьма большое количество планетных систем.
С точки зрения антропного принципа, становится понятным и то благоприятное для жизни сочетание физических условий, которое существует в Галактике в районе расположения Солнца, в узкой кольцевой области, включающей нашу Солнечную систему. Наша Галактика вращается, все звезды обращаются вокруг ее центра. При этом в соответствии с законом тяготения объекты, расположенные ближе к центру, обладают большими угловыми скоростями, а объекты более далекие — меньшими.
В то же время в Галактике существуют «волны плотности», вызвавшие образование спиральных ветвей. Угловая скорость этих волн везде одинакова, она не зависит от расстояния. Благодаря этому на некотором удалении от центра угловая скорость волн плотности совпадает с угловой скоростью обращения звезд — здесь и звезды и волны плотности движутся синхронно. Это своеобразное «кольцо» получило название «коротационный круг» от английского слова «corotation», что значит «совместное вращение».
По-видимому, Солнце как раз и расположено в зоне коротации, где нет галактической ударной волны, существующей в спиральных рукавах,— там, где скорость распространения волн плотности отличается от угловой скорости обращения звезд вокруг центра Галактики. И чем больше по отношению к волнам плотности скорость межзвездного газа, втекающего   в   спиральные   рукава   и   вращающегося вместе со звездным диском, тем мощнее ударная   волна,   возникающая   в   результате  ускорения   межзвездного   газа   в   поле   тяготения рукавов.
Поэтому может быть сформулирован «галактический антропный принцип»: «Жизнь и цивилизация могут возникать и существовать в Галактике только в зоне коротации». Эта зона — своеобразный галактический пояс жизни. Там же, где существует ударная волна, сжимающая газ, идет интенсивный процесс звездообразования,   препятствующий  существованию
жизни.
*    *    *
Антропный принцип имеет не только естественнонаучное, но и огромное философское значение. А смысл его прост: мы мыслим, то есть существуем, потому, что Вселенная объективно, то есть независимо от нас и нашего сознания, обладает определенными свойствами. Принцип этот можно сформулировать и без всякого упоминания о человеке: «Если бы Вселенная обладала иными свойствами, то было бы невозможно образование сложных структур».
Видимо, это и есть самая общая его формулировка и самый полный на сегодня ответ на вопрос, почему окружающий нас мир и действующие в нем законы таковы, каковы они есть.

В. Комаров