Научная Сеть >> Антропный космологический принцип

Наука >> Междисциплинарные науки >> Космос | Популярные статьи

Дагестанский государственный университет, Махачкала

Анализ размерностей фундаментальных постоянных приводит к новому пониманию проблемы в целом. Отдельные размерные фундаментальные постоянные, как уже отмечалось выше, играют определяющую роль в структуре соответствующих физических теорий. Когда же речь идет о выработке единого теоретического описания всех физических процессов, формирования единой научной картины мира, размерные физические постоянные уступают место безразмерным фундаментальным константам, таким, как $\alpha_s$ , $\alpha_e$ , $\alpha_w$ , $\alpha_g$ , m_e / m_p и (m_n - m_p)/ m_N . Роль этих постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной очень велика. Постоянная тонкой структуры a_e является количественной характеристикой одного из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе, - электромагнитного. Помимо электромагнитного взаимодействия фундаментальными взаимодействиями являются также гравитационное, сильное и слабое. Существование безразмерной константы электромагнитного взаимодействия $\alpha_e = е^2 /(\hbar c) \approx 1/137$ предполагает, очевидно, наличие аналогичных безразмерных констант, являющихся характеристиками остальных трех типов взаимодействий. Эти константы также характеризуются следующими безразмерными фундаментальными постоянными:

константа сильного взаимодействия $\alpha_s \approx 1$ ;
константа слабого взаимодействия
$\alpha_w = \frac{g_F m_p c^2}{\hbar^3} \approx 10^{-5},$

где величина $g_F = 10^{-5} / m_p \approx 10^{-61}$ Дж $\cdot$ м3 - постоянная Ферми для слабых взаимодействий;
константа гравитационного взаимодействия
$\alpha_g = \frac{G m^2_p}{\hbar c} \approx 10^{-39}.$

Числовые значения констант $\alpha_s$ , $\alpha_e$ , $\alpha_w$ и $\alpha_g$ определяют относительную силу этих взаимодействий. Так, электромагнитное взаимодействие примерно в 137 раз слабее сильного. Константы взаимодействия определяют также, насколько быстро идут превращения одних частиц в другие в различных процессах. Константа электромагнитного взаимодействия описывает превращения любых заряженных частиц в те же частицы, но с изменением состояния движения плюс фотон. Константа сильного взаимодействия является количественной характеристикой взаимных превращений барионов с участием мезонов. Константа слабого взаимодействия $\alpha_w$ определяет интенсивность превращений элементарных частиц в процессах с участием нейтрино и антинейтрино.

Необходимо отметить еще одну безразмерную физическую константу, определяющую размерность физического пространства, которую обозначим через N. Для нас является привычным то, что физические события разыгрываются в трехмерном пространстве, то есть N = 3, хотя развитие физики неоднократно приводило к появлению понятий, не укладывающихся в здравый смысл, но отображающих реальные процессы, существующие в природе.

Таким образом, классические размерные фундаментальные постоянные играют определяющую роль в структуре соответствующих физических теорий. Из них формируются фундаментальные безразмерные постоянные единой теории взаимодействий $\alpha_s$ , $\alpha_e$ , $\alpha_w$ и $\alpha_g$ . Эти и некоторые другие константы, а также размерность пространства N определяют структуру Вселенной и ее свойства.

3. Антропный космологический принцип

Почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных физических постоянных, характеризующих физические взаимодействия, и бесконечного разнообразия начальных условий, которые могли существовать в очень ранней Вселенной, реализуются величины и условия, приводящие к вполне конкретному набору особенностей, наблюдаемых нами? В пространстве N измерений точечные источники взаимодействуют с силой $F \sim 1 / r^{N-1}$ , где r - расстояние между источниками. Можно показать, что устойчивые движения двух тел, взаимодействующих по такому закону, отсутствуют при N > 3. Еще в 20-е годы XX столетия П. Эренфест показал, что если бы число пространственных координат N было равно четырем, то не существовало бы замкнутых орбит планет и, естественно, Солнечной системы и человека. При N = 4 была бы невозможна также атомная структура вещества. При N < 2 движение происходит в ограниченной области. Только при N = 3 возможны как связанные, так и несвязанные движения, что как раз и реализуется в наблюдаемой Вселенной.

Исследования показывают, что Вселенная, в которой мы живем, удачно приспособлена для нашего существования. Основные свойства Вселенной объясняются значениями нескольких фундаментальных постоянных (гравитационная постоянная, масса протона и электрона, заряд электрона, скорость света и др.).

В наблюдаемой Вселенной существует удивительное совпадение, вернее, согласование энергии расширения Вселенной и гравитационной энергии, значения фундаментальных констант гравитационного, сильного, электромагнитного взаимодействий имеют такие значения, что обеспечивают возможность возникновения галактик и звезд, в том числе стабильных, в которых термоядерные реакции протекают в течение многих миллиардов лет.

Для иллюстрации связи характеристик Вселенной с физическими константами представьте себе, что произошло бы при изменении значений фундаментальных мировых постоянных. Например, если бы масса электрона была в три-четыре раза выше ее нынешнего значения, то время существования нейтрального атома водорода исчислялось бы несколькими днями. А это привело бы к тому, что галактики и звезды состояли бы преимущественно из нейтронов и многообразия атомов и молекул, их в современном виде просто не существовало бы.

Современная структура Вселенной очень жестко обусловлена величиной $\Delta m_n = m_n - m_p$ , то есть разницей в массах нейтрона и протона. Разность очень мала и составляет всего около 10^-3 от массы протона. Однако если бы она была в три раза больше, то во Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы сложных элементов. Увеличение константы сильного взаимодействия всего на несколько процентов привело бы к тому, что уже в первые минуты расширения Вселенной водород полностью выгорел бы и основным элементом в ней стал бы гелий.

Константа электромагнитного взаимодействия тоже не может существенно отклоняться от своего значения 1/137. Если бы, например, она была 1/80, то все частицы, обладающие массой покоя, аннигилировали бы и Вселенная состояла бы только из безмассовых частиц.

Достаточно было бы сравнительно небольшого отличия констант от существующих в действительности, чтобы либо галактики и звезды вообще не успели возникнуть к нашему времени (если бы константа гравитационного взаимодействия была на 8-10% меньше), либо звезды эволюционировали слишком быстро (если бы она была больше на 8-10%). В соотношении констант обнаружены такие тонкости, что, например, константа сильного взаимодействия обеспечивает протекание ядерного синтеза в недрах звезд с образованием углерода и кислорода, которые поставляются в космос при взрыве сверхновых звезд и служат в дальнейшем материалом для формирования звезд второго поколения типа Солнца и планетных систем. Ясно, что даже небольшого отклонения от константы сильного взаимодействия было бы достаточно, чтобы жизнь на Земле оказалась невозможной. Если бы величины этих констант несколько отличались от их значений, то свойства Вселенной были бы совсем другими. Эти самые свойства являются условиями возникновения той формы жизни, которая существует на Земле. Сущность антропного принципа в том, что жизнь является неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее эволюции. Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней существующей формы жизни. Можно сказать, что нам просто повезло - константы в Метагалактике оказались благоприятными для возникновения жизни, поэтому мы существуем и познаем Вселенную. Но наряду с такой Метагалактикой имеются многие другие с иными константами, с другим распределением материи, геометрией и даже, возможно, с другими размерностями пространства, совершенно неподходящими для жизни, с условиями, которые трудно вообразить.

Другие Метагалактики - это миры иных констант. Некоторые из них совсем непохожи на нашу Вселенную, но вполне возможно, что в каких-то метагалактиках есть и разумные существа.

Суть антропного принципа, сформулированного Г.М. Идлисом из Института истории естествознания РАН в 1958 году, в следующем: Вселенная такова, какой мы ее видим, поскольку в ней существуем мы, то есть наблюдатели, способные задаться вопросом о свойствах Вселенной. При других параметрах во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь в известных нам формах [3].

Выше было отмечено, что даже небольшие изменения фундаментальных постоянных приводят к качественным изменениям свойств Вселенной, в частности к невозможности существования сложных структур, а значит, и жизни [4].

Области появления необходимых условий для возникновения жизни

Возможность согласованного и сильного изменения всего набора физических констант, параметров Вселенной (а в принципе и физических законов) так, чтобы получить модели других вселенных, в которых выполнены если не достаточные, то хотя бы необходимые условия для возникновения сложных структур и жизни, представляется интересной. Конечно, такая задача в полном объеме пока неразрешима, поэтому в работе [3] авторы ограничились рассмотрением возможных взаимосвязанных изменений двух констант $\alpha_e$ и $\alpha_g$ . Разрешенные области параметров $x=\lg \alpha^{-1}_e$ и $y= \lg \alpha^{-1/4}_g$ образуют два острова устойчивости структур (рис. 2). Точка О соответствует нашей Вселенной. Расчеты показывают, что в области А'В'С'D' образование сложных структур и жизни невозможно, так как минимальная масса объекта в этой области порядка 10^-5 г (масса пылинки). Вселенные же, в которых значения фундаментальных постоянных несколько отличаются от таковых в нашей Вселенной, но в которых также возможно существование жизни, могут существовать (область АВСD ). В ней выполняются необходимые для образования сложных структур условия, область же необходимых и достаточных условий может быть существенно меньшей.

Заключение

В нашей Вселенной произошла довольно-таки точная подгонка числовых значений фундаментальных констант, необходимых для существования ее основных структурных элементов: ядер, атомов, звезд и галактик. Их устойчивость создает условия для формирования более сложных неорганических и органических структур, а в конечном счете и жизни. Сущность антропного космологического принципа состоит в том, что жизнь является неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее эволюции. Из-за того, что в очень ранней Вселенной реализовались величины и условия, приведшие к вполне конкретным значениям современных фундаментальных физических постоянных, характеризующих физические взаимодействия, стало возможно наличие известной нам Вселенной, и мы имеем возможность познавать именно ее [5]. При этом возникает довольно интересный и сложный со всех точек зрения вопрос о причинах существования такой начальной подгонки значений фундаментальных постоянных. Будем надеяться на то, что ближайшее будущее науки даст ответ на этот вопрос.

Литература

1. Линде А.Д. Раздувающаяся Вселенная // Успехи физ. наук. 1984. Т. 144, вып. 2.

2. Спиридонов О.П. Фундаментальные физические постоянные. М.: Высш. шк., 1991. 236 с.

3. Новиков И.Д., Полнарев А.Г., Розенталь И.Л. Числовые значения фундаментальных постоянных и антропный принцип // Изв. АН ЭССР. 1982. Т. 31, N 3.

4. Розенталь И.Л. Физические закономерности и числовые значения фундаментальных констант // Успехи физ. наук. 1980. Т. 131, вып. 2.

5. Сутт Т.Я. Идея глобального эволюционизма и принцип антропности. М., 1986.

Рецензент статьи В.М. Липунов

Соросовский Образовательный Журнал

Посмотреть комментарии[1]

Антропный космологический принцип

М. К. Гусейханов

3. Антропный космологический принцип

Заключение

Литература