Краеугольный камень современной космологии составляет утверждение: место, которое мы занимаем во Вселенной, не является специальным. Это утверждение известно как космологический принцип . Интересно отметить, что большую часть истории цивилизации считалось, что мы занимаем особое место - в центре «мироздания» (не будем конкретизировать это понятие).

Краткая история космологических идей

В модели античных греков (Александр Птолемей) считалось, что Земля лежит в центре космоса… Коперник поместил в центр космоса Солнце. Ньютоновская теория поставила новую точку зрения на твердую основу. Ньютон предполагал, что звезды подобны нашему Солнцу. Они равномерно распределены в бесконечном пространстве в статических конфигурациях. Хотя Ньютон и знал, что такие статические конфигурации нестабильны.

В следующие 200 лет постепенно приходило понимание того, что ближайшие звезды распределены не равномерно, а образуют дископодобную структуру, которая теперь известна как галактика Млечный путь. Гершель был первым, кто идентифицировал дискообразную структуру еще в конце 1700-х, но эти наблюдения были несовершенны и привели к ошибочному выводу, что солнечная система лежит в центре диска. Только в начале 1900-х это утверждение было убедительно опровергнуто Шепли, который показал, что мы находимся на расстоянии две трети радиуса от центра галактики. Даже после этого, он, по-видимому, считал, что наша галактика находится в центре Вселенной. Только в 1952 году было окончательно продемонстрировано Baade, что Млечный путь абсолютно типичная галактика, приводящая к современной точке зрения, известной как космологический принцип : Вселенная выглядит одинаково, кто бы вы не были и где бы вы не были.

Важно подчеркнуть, что космологический принцип не точен (не следует понимать буквально): сидеть на лекции совсем не то, что сидеть в баре, внутренность Солнца существенно отличается от межзвездного пространства. Принцип является приближенным и выполняется тем лучше, чем с большими масштабами мы работаем. Даже на масштабах отдельной галактики он не очень хорош. Космологический принцип свойство глобальной Вселенной и нарушается, когда мы переходим к локальным явлениям.

Космологический принцип – основа космологии Большого взрыва. Большой взрыв –лучшее описание нашей Вселенной, которое мы имеем в настоящее время. Цель настоящей книги – пояснить это утверждение. Модель Большого взрыва – эволюционирующая сущность. В настоящем она очень отличается от той модели, которая имела место в прошлом. Вначале она была вынуждена соперничать с конкурирующей идеей стационарной Вселенной, которая утверждала, что Вселенная не эволюционирует, а всегда одинакова. Однако наблюдения поддерживают сценарий Большого взрыва, и конкурирующая теория почти никогда не рассматривается.

Обзор наблюдений

В истории астрономии ученые в основном полагались на видимый свет как источник наших знаний о Вселенной. Одно из основных достижений ХХ столетия использования всего спектра электромагнитного излучения для астрономических наблюдений. Имеющаяся аппаратура позволяет работать с радиоволнами, микроволновым и инфракрасным излучением, видимым светом, ультрафиолетом, рентгеном и гамма-излучением. Мы даже входим в эпоху, когда мы сможем даже выйти за пределы электромагнитного спектра и получать информацию другого типа. Замечательная особенность наблюдения близких сверхновых состоит в том, что мы можем видеть их с помощью детектирования нейтрино, слабовзаимодействующих частиц. Детектирование высокоэнергетических космических лучей теперь рутинная процедура, хотя происхождение лучей не совсем понятно. В настоящее время начинаются эксперименты по детектированию гравитационных волн, деформирующих пространство-время. Они помогут нам наблюдать такие события как столкновения звезд.

Наступление эпохи больших телескопов земного и спутникового базирования, работающих во всех участках электромагнитного спектра принесло революцию в наше восприятие Вселенной.

Текущие годы стали золотым веком наблюдательной космологии. Используя различные наблюдательные методы, физики и космологи объяснили космический микроволновой фон. Он явился наблюдательным окном, который обеспечил большую часть получаемой информации. Анизотропия космического микроволнового излучения, детектированная к настоящему времени в широкой области угловых масштабов, представила нам картину Вселенной во время рекомбинации, эпоху, когда космические фотоны испытали последнее рассеяние. Исследования крупномасштабных галактических скоплений обеспечило нас спектрами (получаемыми с все возрастающей точностью) распределения объектов во Вселенной, которые испускают свет. Это дает нам возможность получить распределение масс во Вселенной в настоящее время.

Что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$ различных составляющих.

Космология, обязанная «Планку»

В частности, анализ приведенной на рисунке карты всего неба, построенной по результатам WMAP, дает следующие результаты: возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет (с точностью до 1%); она состоит на 73% из темной энергии, на 23% из холодной и темной материи и только на 4% из атомов. В настоящее время Вселенная расширяется со скоростью 71 км/с/Мпс (с точностью до 5%), хотя в прошлом испытала ряд эпизодов быстрого расширения (инфляции). Параметры Вселенной таковы, что она будет неограниченно расширяться и в дальнейшем. Полученные результаты настолько интересны, что астрономы, по-видимому, еще долго будут заниматься их исследованием и интерпретацией.

Это говорит нам, что акустические колебания действительно имели место в первозданной плазме и что инфляционные адиабатические возмущения являются лучшими кандидатами для объяснения образования структур во Вселенной за счет гравитационной нестабильности. Мы также имеем очень точно измеренное содержание барионной компоненты \[{{\Omega }_{b}}{{h}^{2}}=0.0223_{-0.0009}^{+0.0007}\] Эта величина получается из отношения высот первых двух пиков и находится в согласии с предсказаниями по ядерному синтезу и относительному содержанию легких ядер. Акустический угловой масштаб в момент рекомбинации определяется с высокой точностью \[{{\theta }_{A}}=0.595\pm 0.002^0\](градусов). Таким образом, плоская модель всего лишь с шестью параметрами:

1. плотность барионов
2. плотность холодной темной материи
3. амплитуда скалярных возмущений
4. спектральный индекс скалярных возмущений
5. текущее значение константы Хаббла
6. Оптическая глубина в момент реионизации очень хорошо согласуется с текущими МКФ данными.

Поляризационная информация также начала накапливаться, хотя по точности она значительно уступает температурным данным. Эти первые результаты говорят о согласии между предсказанным стандартной космологической моделью уровнем поляризации и тем, что мы наблюдаем. Все это усиливает доверие к адиабатическим возмущениям и инфляции. После такой откровенной эйфории возникает естественный вопрос: что же остается сделать после WMAP? Ответ очень прост: очень много.

Что нужно делать после WMAP?

Для того, что бы ответить на этот вопрос, надо просто перечислить, что не сделано WMAP.

1. Необходимо улучшить инфляционные тесты, и, в частности, измерение бегущего спектрального индекса. WMAP намекает на отклонения от спектра Харрисона-Зельдовича $\left({{n}_{s}}=1 \right)$. Существенное отклонение от простой масштабной инвариантности стимулирует реалистические инфляционные модели.
2. Точное измерение плотности материи по данным МКФ все еще отсутствует. Это связано с тем, что для получения более надежной информации требуется реконструкция третьего акустического пика с точностью, сравнимой с определением первых двух пиков. Это невозможно сделать, используя текущие данные.

Однородность и изотропность

Доказательство того, что на больших масштабах Вселенная становится «гладкой» - основа космологического принципа. Считается, что на больших масштабах Вселенная обладает двумя важными свойствами: однородностью и изотропностью. Однородность эквивалентна утверждению, что Вселенная выглядит одинаковой в каждой точке, в то время как изотропность утверждает, что Вселенная одинакова во всех направлениях.

Эти два понятия автоматически не подразумевают друг друга. Например, Вселенная с постоянным магнитным полем однородна, так как одинакова в любой точке. Однако, она не изотропна, так как направления по полю и перпендикулярно к нему не эквивалентны. Альтернативно, сферически симметричное распределение зарядов, рассматриваемое из центральной точки изотропно, но не обязательно однородно. Если же мы потребуем, чтоб это распределение было изотропно в каждой точке, то тогда оно будет также и однородным.

Как уже упоминалось, космологический принцип не является точным, и поэтому наша Вселенная не является в точности однородной и изотропной. Более того, изучение отклонений от однородности наиболее наиболее перспективные исследования в космологии. В основном мы сконцентрируем внимание на поведении Вселенной в целом, и поэтому будем предполагать крупномасштабную однородность и изотропность.

Расширение Вселенной

Ключевой факт наблюдательной космологии: почти все во Вселенной выглядит удаляющимся от нас, причем, чем дальше от нас находятся объекты, тем быстрее они удаляются. Скорости удаления измеряются по красному смещению, которое связано с эффектом Доплера применительно к световым волнам…. Эта техника была впервые использована В. Слифером в 1912 году. В следующие десятилетия она систематически применялась одним из наиболее известным космологом Эдвином Хабблом.

Оказывается, что все галактики удаляются от нас. В стандартной терминологии это означает красное смещение. Величина красного смещения $z$ определяется как

\
Если близкая галактика удаляется со скоростью $v$, красное смещение есть

На рисунке представлена диаграмма Хаббла для 1355 галактик. Формула (2.2) не учитывает эффектов СТО и справедлива только для $v/c\ll 1$. Точное выражение ((2.2) есть его разложение по малому параметру $v/c$)

Однако для удаленных объектов в космологии необходимы другие рассмотрения, и поэтому этим выражением пользоваться нельзя!
Хаббл осознал, что его результаты показывают: скорость удаления объекта пропорциональна удалению объекта от нас

\[\vec{v}={{H}_{0}}\vec{r}~~~~~~~~~~(2.3)\]

Константа пропорциональности известна как константа Хаббла. Закон Хаббла не точен. Как и космологический принцип, закон Хаббла не выполняется точно для близких галактик, которые, вообще говоря, участвуют в некоторых случайных движениях, известных как peculiar velocities. Но он описывает среднее поведение галактик очень хорошо. Многочисленные попытки определить константу пропорциональности до настоящего времени не приводили к консенсусу. Сейчас мы приближаемся к нему. На первый взгляд, космологический принцип нарушается, если мы наблюдаем, что все удаляется от нас, т.е. мы находимся в центре Вселенной. Однако никакое утверждение не может быть более далеким от правды, чем это. В этом легко убедить себя, рассмотрев квадратную решетку, все узлы которой удаляются от некоторой «центральной» точки со скоростями, пропорциональными расстоянию до центральной точки.

Перейдя в новую систему отсчета, соседнюю точку решети, легко убедиться, что закон Хаббла будет выполняться для нового «центра». Так получается только в силу линейности соотношения между скоростью и расстоянием. Любой другой закон разрушает эту изящную картину. Таким образом, хотя Вселенная расширяется она выглядит одинаково для всех наблюдателей, размещенных в какой-либо галактике. Полезна аналогия с выпечкой кекса с изюмом или надуванием шара с точкой на поверхности. По мере того как пирог всходит или шар надувается, изюминки или точки удаляются друг от друга. Из каждой точки кажется, что все другие точки удаляются. И удаляются тем быстрее, чем дальше они друг от друга.

Понятие расстояния в расширяющейся Вселенной, описываемой метрикой Фридмана, Робертсона, Уокера, требует пояснения. Так, его можно определять по угловому размеру источника со стандартными размерами (угловое расстояние), или по принимаемому от стандартного источника потоку излучения (фотометрическое расстояние), или по собственному движению источника со стандартной скоростью (метрическое расстояние). Очевидно, в плоском пространстве-времени все три способа дадут один и тот же результат. Но Вселенная описывается искривленным пространством-временем (даже если трехмерное пространство евклидово!) с изменяющимся масштабным фактором, поэтому указанные способы дадут существенно различные значения уже при $z\sim 1.$

Как с помощью вспышек сверхновых определить плотностной состав вселенной

Различные зависимости от $z$ - ключ к разгадыванию всех возможных вкладов в ${{\Omega }_{tot}}$ с помощью наблюдения вспышек сверхновых при различных и предпочтительно больших красных смещениях.

Для измерения расстояний в астрономии используется метод фотометрического параллакса. Источник света излучает фотоны. Мощность источника называется светимостью и измеряется в ваттах. Фотометрический инструмент (например глаз) измеряет не мощность источника, а поток фотонов в данном месте. Поток обратно пропорционален квадрату расстояния от источника. Значит, если мы знаем светимость и можем измерить поток, то можем вычислить расстояние до источника. В этом и заключается метод фотометрического параллакса. Для измерения фотометрического параллакса требуется знать светимость астрономических источников.

Это сложная проблема. Более просто определить светимость одной популяции источников. В частности можно достаточно точно измерить среднюю светимость источников одной популяции. Если разброс отдельных источников относительно среднего (дисперсия) невелик, то эту популяцию можно использовать для определения расстояния до источника. Мечта астрономов – открытие популяции с маленькой дисперсией. Такую популяцию назвали стандартной свечей. Один из примеров такой популяции цефеиды – переменные звезды, период изменения блеска которых прямо пропорционален светимости звезды. (астрономические объекты, принадлежащие популяции с большой дисперсией принято называть индикаторами расстояний).

Буквально в последние годы был найден источник, который можно рассматривать как стандартную свечу. Это сверхновые (SN) типа Ia. Такие звезды имеют высокую светимость, сравнимую со светимостью всей галактики, в которой они вспыхивают. Поэтому они хорошо видны на межгалактических расстояниях.). Кроме того, они обладают очень хорошей однородностью светимости в максимуме блеска (блеск это, видимо, попадающий в прибор наблюдателя световой поток) Дисперсия светимости в максимуме блеска для этой популяции звезд $\delta m\approx 0.3-{{0.5}^{m}}$ звездной величины. Поток энергии для прежних индикаторов расстояния различался в десятки раз, что и вызывало большую неопределенность в определении расстояний. При учете тонких деталей спектра вспышки, а также при учете светимости не только в видимом, но и в ультрафиолетовом диапазоне дисперсия светимости в максимуме может быть уменьшена до $\delta m\approx {{0.15}^{m}}$.

Экспериментаторы (1998), работая с SN Ia обнаружили, что убывание яркости происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в ${{\Omega }_{tot}}$различных составляющих.

Действительно, световой поток полученный от удаленной сверхновой связан с ее абсолютной светимостью $L$ и ее фотометрическим расстоянием (luminosity distance)$$${{d}_{L}}$ соотношением

Если геометрия пространства эвклидова, то ${{d}_{L}}=\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}}$. В ОТО, с другой стороны, геометрия пространства может быть неэвклидовой, и ${{d}_{L}}$ будет, вообще говоря, зависеть от геометрии пространства и от истории расширения Вселенной. Действительно, можно показать, что в пространственно плоской и расширяющейся FRW Вселенной ${{d}_{L}}$ имеет форму

\[{{d}_{L}}(z)=(1+z)\int\limits_{0}^{z}{\frac{d{z}"}{H({z}")}}\]

Предельный случай ${{\Omega }_{m}}=1,\ {{\Omega }_{\Lambda }}=0$ соответствует стандартной модели холодной темной материи (SCDM), в которой Вселенная замедляется по слабому степенному закону $a(t)\propto {{t}^{2/3}}$. Другой экстремальный пример ${{\Omega }_{\Lambda }}=1,\,{{\Omega }_{m}}=0$ описывает Вселенную де Ситтера (известную как устойчивое космологическое состояние), для которой $a(t)\propto \exp \left(\sqrt{\frac{\Lambda }{3}}ct \right)$. Таким образом сверхновая при красном смещении $z=3$ будет казаться в 9 раз ярче в $SCDM$ модели, чем в пространстве де Ситтера.

Уравнение Фридмана: классический намек

Уравнение Фридмана описывает расширение Вселенной и, следовательно, является наиболее важным уравнением в космологии. Одна из рутинных задач космолога – решение этого уравнения при различных предположениях относительно материального содержания Вселенной. Для того, чтобы вывести уравнение Фридмана, необходимо вычислить гравитационную потенциальную энергию и кинетическую энергию пробной частицы и затем воспользоваться законом сохранения энергии.
Рассмотрим наблюдателя в однородной расширяющейся Вселенной с массовой плотностью $\rho $. В силу однородности Вселенной любая точка может быть выбрана в качестве ее «центра». Рассмотрим пробную частицу массы $m$на расстоянии $r$, тогда (с учетом теоремы Гаусса)
\

и
\

Кинетическая энергия

и полная энергия
\

Заметим, что $U$ различно для частиц, разделенных различными расстояниями. Полная энергия
\

Это уравнение определяет эволюцию расстояния $r$ между двумя частицами.
Сделаем теперь важный шаг, который связан с тем, что эти аргументы применимы к любым двум частицам во Вселенной. Это позволяет нам перейти к новым координатам, которые известны как сопутствующие координаты. Эти координаты «переносятся» расширением. В силу того, что расширение однородно, связь между реальным расстоянием $\vec{r}$ и сопутствующим расстоянием может быть записана

\[\vec{r}=a(t)\vec{x}~~~~~~~~~~(**)\]

Где в силу однородности $a$зависит только от времени. Для понимания уравнения Фридмана, удобно представлять себе координатную решетку, расширяющуюся со временем. Галактики остаются в фиксированных точках решетки (в $\vec{x}$ координатной системе). Исходные $\vec{r}$ координаты, которые не подвергаются расширению, называются физическими координатами.
Величина $a(t)$ является ключевой и известна как масштабный фактор Вселенной. Она определяет универсальную скорость расширения. Являясь функцией только времени, она показывает как физические расстояния растут со временем, в то время как координатное расстояние $\left| {\vec{x}} \right|$ по определению фиксировано. Мы можем использовать масштабный фактор, чтобы переписать уравнение (*). Подставляя (**) в (*) и учитывая, что $\dot{x}=0$ (сопутствующие координаты при расширении фиксированы), получим

Полагая $k{{c}^{2}}=-2U/m{{x}^{2}}$, это уравнение можно представить в виде

\[{{\left(\frac{{\dot{a}}}{a} \right)}^{2}}=\frac{8\pi G}{3}\rho -\frac{k{{c}^{2}}}{{{a}^{2}}}\]

Это уравнение Фридмана –важнейшее уравнение космологии. В этом выражении $k$ должно не зависеть ни от координат, ни от времени. Эта величина имеет размерность ${{\left[ L \right]}^{-2}}.$ Расширяющаяся Вселенная имеет единственное значение $k$, которое сохраняется в процессе расширения.

Cмысл расширения

Каков смысл расширения Вселенной? Давайте начнем с того, какой смысл не вкладывается в это понятие. Это не означает, что ваше тело постоянно увеличивается со временем (и, конечно, не является оправданием, если это все-таки происходит). Это не означает, что земная орбита со временем удаляется от Солнца. Это не означает, что звезды в нашей галактике удаляются друг от друга со временем. Но это означает, удаленные галактики разбегаются со временем. Ответ на вопрос зависит от того, управляется ли движение объекта кумулятивным гравитационным эффектом однородного распределения материи. Атомы в нашем теле нет.

Расстояния между ними диктуются силами химической связи, в которых гравитация несущественна. Поэтому молекулярные структуры не будут подвержены расширению. Аналогично, движение Земли по орбите (почти) полностью определяется притяжением Солнца (с небольшим влиянием других планет). И даже звезды в нашей галактике двигаются в потенциальной яме, которую они сами и создают. И не удаляются друг от друга. Общая особенность как солнечной системы так и галактик – их плотность существенно превосходит плотность гладко распределенной материи, которую мы использовали при выводе уравнений Фридмана. Но если мы перейдем к большим масштабам, десятки мегапарсек, Вселенная будет эффективно изотропной и однородной с галактиками, уплывающими друг от друга, как это предсказывают уравнения Фридмана. На этих больших масштабах работает космологический принцип и ощущается расширение Вселенной.

Объекты, которые двигаются быстрее света

Общий вопрос, который волнует людей: могут ли удаленные галактики разбегаться со скоростью больше скорости света? Так как скорость разбегания пропорциональна расстоянию между галактиками, то если мы рассмотрим достаточно удаленные галактики, то мы можем сделать скорости сколь угодно большими в нарушение специальной относительности. Ответ на этот вопрос таков. В наших теоретических предсказаниях могут появиться объекты, удаляющиеся со скоростями больше скорости света. Однако это происходит в пространстве, которое само по себе расширяется. Это не нарушает причинность, потому что никакой сигнал не может быть послан между такими галактиками.

Кроме того, специальная теория относительности не нарушается, потому что она относится к относительным скоростям объектов, проходящих вблизи друг друга, и не может быть использована для сравнения относительных скоростей удаленных объектов. Чтобы понять это, вообразим группу муравьев на воздушном шаре. Представим, что быстрейшие муравьи могут двигаться со скоростью 1см/сек. Если два муравья проходят друг мимо друга, то наибольшая относительная скорость 2см/сек, если они двигаются в противоположном направлении. Начнем надувать шар. Хотя муравьи, блуждающие по поверхности, все еще имеют скорость, не превосходящую 1см/сек, но шар расширяется под ними. Следовательно, их относительная скорость легко превзойдет 2см/сек, если шар надувать достаточно быстро (а если медленно?). Но они никогда не могут рассказать друг другу об этом, потому что шар растаскивает их быстрее, чем они могут двигаться вместе, даже при полной скорости. Любые два муравья, которые стартуют достаточно близко друг к другу и могут проходить мимо обладают относительной скоростью, не превосходящей 2 см/сек, даже если Вселенная расширяется. Расширяющееся пространство подобно надуваемому шару и тащит галактики за собой.

Уравнение сохранения: термодинамический взгляд

Будучи фундаментальным, уравнение Фридмана тем не менее не может использоваться без уравнения, описывающего как плотность $\rho $ компонент Вселенной зависит от времени. Это уравнение включает давление материала и называется уравнением жидкости. Как мы вскоре увидим, различные материалы имеют разное давление, а это приводит к различным эволюциям. Мы можем получить необходимое уравнение, написав первый закон термодинамики \ И применив его к расширяющемуся объему единичного сопутствующего радиуса (размера), получим $(dS=0)$ \[\dot{\rho }+3\frac{{\dot{a}}}{a}(\rho +\frac{p}{{{c}^{2}}})=0\]

Как мы видим два члена дают вклад в изменение плотности. Первый член описывает уменьшение плотности за счет увеличения объема. Второй член описывает уменьшение энергии за счет того, что давление совершает работу при увеличении объема Вселенной. Эта энергия не исчезает (энергия, конечно, сохраняется). Она переходит в потенциальную гравитационную энергию.

Подчеркнем, что в однородной Вселенной отсутствуют силы, связанные с давлением, потому что плотность и давление всюду одинаковы. Требуется градиент давления, чтобы возникла сила. Поэтому давление не дает вклад в силу, способствующую расширению. Его эффект проявляется только в работе, выполненной при расширении Вселенной.

Мы еще не готовы решить уравнение Фридмана, так как не конкретизировали зависимость давления для конкретного материала, заполняющего Вселенную. Обычное предположение, известное как уравнение состояния, $p=p(\rho)$. Простейшее предположение – отсутствие давления, как это имеет место для нерелятивистской материи.

Уравнение для ускорения

Уравнение Фридмана и жидкостное уравнение можно использовать для получения третьего уравнения (конечно, не независимого), описывающего ускорение масштабного фактора \[\frac{{\ddot{a}}}{a}=-\frac{4\pi G}{3}(\rho +\frac{3p}{{{c}^{2}}})\] (3.18) Заметим, что какое бы давление (положительное) не имел материал, оно увеличивает гравитационные силы и приводит к дополнительному замедлению ускорения. Напомню, что нет сил, связанных с давлением в изотропной Вселенной, так как отсутствуют градиенты давления.

Открытие темной энергии одно из наиболее удивительных и глубоких открытий в истории науки.

Рассмотрим некоторые следствия этого открытия.

1. Основная часть энергии во Вселенной не является (обычной) материей. В свои первые 300 лет (от Начал Ньютона) физика сосредоточила внимание на свойствах материи и излучения (включая темную материю).
2. Основная часть энергии во Вселенной не является гравитационно притягивающей. Мы, видимо, последнее поколение, которое думает, что гравитация всегда притягивает. Это понятие доминировало как основное свойство природы в течение многих сотен лет. Теперь мы знаем, что гравитация может также и отталкивать. Конечно, возможность существования самоотталкивательных форм энергии существует в ОТО в качестве исходного положения. Но до настоящего времени это положение не пользовалось успехом. Мы должны переписать учебники, чтобы объяснить, что гравитационно притягивающая материя, которая нам известна, есть лишь малая часть Вселенной сегодня и в неограниченном будущем.
3. Мы живем в особое время развития Вселенной. Коперниковская революция научила нас, что нет ничего особого в нашем положении во Вселенной. Если пространство однородно, то правильно ли то же самое для времени? Открытие Хаббла научила нас тому, что Вселенная эволюционирует, но в течение последних 15 млд лет эта эволюция происходит плавно, без заметных изменений. Теперь мы знаем, что время $anti-Copernican.$ Мы живем в особый момент космической истории, момент перехода от замедляющейся, материально доминированной Вселенной и ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует Темная энергия. Прогрессирующее образование сверх больших структур и увеличение сложности, то чем характеризуется материально доминированная Вселенная, достигло конца и теперь Вселенная открывает период сверх пустоты и бесструктурности
4. Будущее (а может и прошлое (в теориях циклической Вселенной)) определяется темной энергией
5. Осознание идентичности темных компонент (темной материи и темной энергии) один из величайших вызовов 21 столетия.

Стандартная космологическая модель – современное состояние

Несмотря на колоссальный приток наблюдательных данных (особенно следует отметить окончательные результаты эксперимента WMAP и результаты по сверхновым), все они, в пределах ошибок наблюдений, продолжают укладываться в современную парадигму четырехстадийной эволюции нашей Вселенной, частью которой является стандартная модель современной Вселенной.

Эти 4 основных стадии – вакуумоподобная квази-де-ситтеровская, или инфляционная стадия в ранней Вселенной, за которой (после промежуточной стадии рождения и разогрева обычной материи) следует стадия доминирования горячей ультра-релятивистской материи (исторически названная Большим Взрывом), которая относительно недавно (при красном смещении $z \approx 3200$) сменяется стадией доминирования нерелятивистской материи (холодной темной небарионной материи и барионов). Наконец, уже в наше время, начиная с z

Последняя стадия поддерживается темной энергией. Соответственно, для количественного описания требуются четыре новых (по отношению к стандартной модели элементарных частиц) безразмерных постоянных, которые на современном уровне понимания либо сами являются фундаментальными постоянными микрофизики, либо связаны с ними через теоретические модели. Это безразмерная амплитуда начальных, приближенно масштабно-инвариантных возмущений плотности материи, отношение числа фотонов реликтового излучения к числу барионов, отношение плотностей холодной темной небарионной материи и барионов и, наконец, практически не зависящая от z плотность энергии современной темной энергии, обезразмеренная известными фундаментальными постоянными. На современном теоретическом уровне уменьшить число этих постоянных нельзя. Однако оно существено меньше, чем число фундаментальных безразмерных постоянных в стандартной модели элементарных частиц. В настоящее время уже ясно, что начальный спектр возмущений не является строго масштабно-инвариантным, так что для его количественного описания требуется по крайней мере еще одно число (окончательного доказательства этого мы ожидаем от эксперимента Planck).

Здесь однако могут помочь инфляционные модели ранней Вселенной, в которых все параметры начального спектра выражаются в максимально простом случае через одну безразмерную постоянную, и я приведу примеры таких моделей, которые еще остаются жизнеспособными (это как раз пионерские модели инфляции). Другое ожидаемое здесь фундаментальное открытие – это первичные гравитационные волны (через обнаружение В-моды поляризации реликтового излучения), но чувствительности Planck может для этого не хватить.

Что касается темной небарионной нерелятивистской материи, про которую мы уже знаем, что она почти бесстолкновительная, то здесь наиболее замечательным явилось бы ее прямое детектирование в наземных экспериментах.

Aстрономическими методами можно открыть ее аннигиляцию в фотоны, а также определить, в какой мере она все-таки является столкновительной, из структуры темного галактического гало (в т.ч. в центре) и количества спутников массивных галактик. Наконец, главной целью исследования темной энергии во Вселенной является поиск слабого отличия ее тензора энергии-импульса от точной космологической постоянной. Пока никакого отличия не найдено на уровне относительной точности ~ 10%, однако я приведу аргументы, почему такой поиск не безнадежен. Один из простейших классов моделей темной энергии, альтернативных космологической постоянной, строится на основе f(R) гравитации.

Теория эволюции Вселенной дает ответы далеко не на все вопросы, например неясен пока характер дальнейшей эволюции Вселенной. Теория допускает два сценария: бесконечное расширение (модель открытой Вселенной) и смена расширения сжатием, возвращение в сверхплотное и сверхгорячее состояние, после чего следует цикл нового расширения (модель пульсирующей Вселенной) . Реализация того или иного варианта зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность не превышает некоторого критического значения, то реализуется модель открытой Вселенной, в противном случае Вселенная пульсирует. Современные данные свидетельствуют в пользу модели открытой Вселенной, однако возможно, что открытие новых космических объектов изменит ситуацию.

Легче всего оценить плотность светящегося вещества, которая составляет 0.5% критической. Однако во Вселенной есть и несветящееся, невидимое вещество, называемое темной энергией или темной массой. Самый первый довод в пользу существования темной материи, основанный на изучении движения галактик, привел швейцарский астроном Фриц Цвикки (30-е годы ХХ века) – массы галактик недостаточно, чтобы удержать их от разлета. Если бы не было скрытого вещества, составляющего более 90% галактик, то они распались бы за несколько миллиардов лет, в то время их возраст составляет около 13 млрд лет.

В настоящее время считается, что большая часть невидимой материи существует в виде принципиально несветящегося вещества, состоящего из частиц, крайне слабо взаимодействующих с обычным веществом, светом и друг с другом (нейтрино). Наилучшее совпадение с данными наблюдений имеет космологическая модель, в которой плотность примерно равна критической, при этом на вакуум приходится 65%, на холодную темную материю – 30%, на барионную скрытую массу – 5%, на нейтрино и видимое вещество – по 0.5%.

Фундаментальные константы и антропный принцип.

Во всех разделах физики приходится иметь дело с постоянными величинами, т.н. константами. Существует ограниченный набор физических постоянных, связанных с важнейшими физическими теориями, которые называются фундаментальными константами.

Среди фундаментальных констант можно условно выделить мировые,

электромагнитные, атомные и физико-химические. Фундаментальные константы не выводятся из физических теорий, а определяются экспериментально. В современном естествознании считается, что мировые константы стабильны, начиная со времени 10 -35 начиная с рождения Вселенной.

М. Планк предлагал добавить к первым трем фундаментальным константам постоянную Больцмана (к=1.38 10 23 Дж/(К моль), т.к. она устанавливает связь между микроскопическими характеристиками частицы и макроскопическим состоянием системы.

Установлено, что существование основных структурных элементов материи (атомных ядер, звезд, галактик) во Вселенной связано возможно лишь в очень узком диапазоне численных значений фундаментальных констант. Расчеты показали, что их малые изменения на ранней стадии формирования Вселенной могли бы привести к формированию качественно иного мира, в частности стало бы невозможно образование макроскопических структур, а следовательно и образование высокоорганизованной живой матери. Вопрос о причинах попадания численных значений мировых констант в узкий диапазон, обеспечивающий возникновение разумной жизни, нашел отражение в антропном принципе, предложенном Г. Идлисом в 1958 г. И Б. Картером с 1974 г. Антропный принцип сформулирован в слабом и сильном вариантах:

Слабый антропный принцип – на свойства Вселенной накладывает ограничение наличие разумной жизни;

Сильный антропный принцип – свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно существовала жизнь.

Антропный принцип – пример взаимозависимости фундаментальных вопросы естествознания и мировоззренческих вопросов. В тех областях, где недостаточность знания существует принципиально, большую роль играют вненаучные факторы, эстетические предпочтения или религиозное мировоззрение. Антропный принцип признает некий высший порядок, выбравший реализованный вариант эволюции Вселенной.

Антропный принцип не отвергает также возможность существования других Вселенных. Предполагая, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах и применяя антропный принцип, можно прийти к выводу о закономерности возникновения и широком распространении жизни и Разума во Вселенной. Антропный принцип с точки зрения физики и философии отвергает возможность уникальности земной жизни.

АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПРЕЗИДЕНТЕ РБ

Институт Государственного управления

РЕФЕРАТ

Антропный космологический принцип:

его естественнонаучный и

философско-методологический смысл

Выполнил Яковлев Р. А.

МИНСК 2002 АНТРОПНЫЙ КОСМОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП: ЕГО ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ И ФИЛОСОФСКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ СМЫСЛ

Гармония мира есть источник всякой красоты. Мы должны ценить те медленные и тяжелые шаги вперед, которые мало-помалу открывают ее нам.

А. Пуанкаре,

французский физик-теоретик

Даже схематичная и общая характеристика идеи возникновения всего (Вселенной) из ничего, или вакуума, вызывает у мыслящего человека немало удивления. Но этим дело не ограничивается: по мере того как ученые проникали в детали этого процесса, перед ними открывались все более удивительные вещи. Первая из них связана с так называемыми фундаментальными постоянными, которые нередко называют еще мировыми константами.

Принято отличать простые постоянные величины от фундаментальных универсальных постоянных. Например, Земля имеет постоянную массу, но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как масса электрона или масса протона всюду во Вселенной одинакова, это - универсальные постоянные. Специфические свойства отдельных систем зависят от тех или иных законов движения и различных начальных условий.

Однако такие параметры любых систем, как размер, масса, время жизни и другие, с точностью до порядка величины часто определяются исключительно значениями таких фундаментальных постоянных, как гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света, масса электрона, масса протона и др.

Общее число фундаментальных универсальных постоянных невелико. Но оказывается, что для довольно полного описания природы требуется совсем немного таких параметров. Некоторые универсальные постоянные только что названы, но для определенности дальнейшего изложения приведем в сокращенном виде суммарный список универсальных констант и некоторых производных величин.

Приведем примеры зависимости организации и свойств материи Вселенной от мировых констант. Вещество, из которого первоначально образовались звезды и галактики, состояло из водорода (3/4) и гелия (1/4).

Откуда взялись все более тяжелые химические элементы, без которых не могла возникнуть жизнь? Теперь известно, что они синтезируются в недрах звезд. Но как они попадают наружу? Когда массивная звезда исчерпает запасы ядерного топлива (водорода), ее ядро становится неустойчивым для гравитационного сжатия и она взрывается. При этом выделяется огромное количество гравитационной энергии, большая часть которой уносится мельчайшими частицами нейтрино. Такая грандиозная вспышка называется сверхновой звездой, или просто сверхновой. Взрыв сверхновой разбрасывает по галактике обогащенное тяжелыми металлами вещество проэволюционировавшей звезды. А когда образуется новое поколение звезд и планеты, то строительным материалом для них служит разбросанный пепел умерших звезд. В этом смысле наша планета и мы сами произошли из звездного пепла.

В результате взрыва сверхновой образуется и вырывается наружу огромное множество нейтрино. Полагают, что давление, вызываемое потоком нейтрино, способно сорвать с ядра звезды ее оболочку и разметать в пространстве.

Из списка универсальных констант видно; что гравитационная постоянная очень мала, поэтому гравитационные взаимодействия очень слабы. Так, гравитационное взаимодействие между двумя атомами примерно на 40 порядков слабее электромагнитных взаимодействий. Но будь гравитация значительно сильнее, структура Вселенной коренным образом изменилась бы.

Аналогично и другие универсальные постоянные чуть ли не однозначно определяют строение и свойства физических объектов Вселенной. А поскольку эти постоянные величины возникли на ранних этапах Вселенной, когда этих объектов еще не существовало, то мы имеем все основания, говорить, что универсальные постоянные ПРЕДОПРЕДЕЛЯЮТ структуру нашей Вселенной.

Однако многие исследователи пугаются этого слова, так как предзаданность, или предопределенность, считают уделом мистики. Но при этом они странным образом не замечают того, что сами, и при этом очень широко, пользуются такой методикой исследования, по крайней мере, при рассмотрении всех ретроспективных проблем.

Это относится к онтологическому и методологическому аспектам исследования. В самом деле, продвигаясь ретроспективно к началу расширения Вселенной, ученые исходят из существующих частиц, типов взаимодействия и законов. С учетом настоящего (предзаданного) они пытаются восстановить события прошлого такими, чтобы из них прийти к настоящему. То есть весь процесс поиска прошлого ориентирован на настоящее и существенно определяется знанием настоящего, знанием существующих частиц, взаимодействий, законов как предзаданного.

Но дело не ограничивается тем, что универсальные фундаментальные постоянные предопределяют строение и свойства нашей Вселенной. Кроме того, нужно принять во внимание и то, что все (Вселенная) рождается из ничего (в конечном счете, из первородного космического вакуума), и притом рождается в гигантском пламени Большого взрыва. Тогда неизбежно возникает вопрос: откуда взялись все эти мировые константы?

Этот вопрос приобретает еще большую остроту, если учесть, что мировые константы не изолированы, а очень тонко подстроены друг под друга и оказывают свое влияние на структуру и свойства Вселенной в разных сочетаниях и все вместе как согласованный ансамбль.

Прежде всего, необходимо уяснить философский (метафизический) смысл этого факта. Многие авторы допускают возможность случайности той или иной мировой константы, что в принципе неверно. Неотъемлемым свойством случайных событий является их скоротечность, изменчивость, быстрая сменяемость, что не совместимо с фундаментальными постоянными, которые неизменны и действуют на протяжении 15-20 млрд. лет. Уже одно это свидетельствует о какой-то их необходимости. Кроме того, упускается из виду то, что случайность и необходимость основаны на причинности (в мире нет беспричинных явлений). Более того, случайность и необходимость строятся из одного и того же множества причинно-следственных связей, только интегрируются векторные причинности по-разному: случайность - это узел или точка пересечения множества причинностей, а необходимость - их геометрическая сумма.

Поэтому если даже мысленно допустить (без всякого на то основания) случайность некоторой константы, то для ансамбля мировых констант это исключено, так как согласованное связанное и устойчивое множество фундаментальных величин не есть случайность.

Теперь поставленный выше вопрос приобретает более острое звучание. Если наблюдаемая физическая Вселенная предопределяется согласованным набором фундаментальных величин, то откуда взялся этот гармоничный ансамбль универсальных величин? В исходном космическом вакууме он вряд ли задан. Ученые давно обратили внимание на все это, но никакого физического принципа никто не выдвинул, чтобы физически объяснить происхождение гармонии универсальных величин.

Более того, исследователи подметили еще одну удивительную особенность, связанную с совпадением больших чисел, которая направила их на поиски объяснения причин развития Вселенной не в физике, а совсем в другой области, далекой от физики, - в антропологическом принципе космологии. Речь конкретно идет о числе 10 40 , которым почему-то выражаются разные фундаментальные величины и их соотношения.

Вокруг этого принципа до сих пор бушуют страсти. Хотя число 10 40 получается путем округления, этим не подрывается строгость выводов, потому что для такого гигантского числа даже погрешность в 10 2 ничтожно мала. Кроме того, это число можно получить из разных посылок. Важно другое: число 10 40 полностью составлено из фундаментальных постоянных величин, поэтому имеет фундаментальный смысл.

На совпадение больших чисел ученые обратили внимание давно. В 30-е годы известный физик-теоретик Поль Дирак попытался дать этому физическое объяснение, которое, однако, исходило из предположения, что гравитационная постоянная изменяется со временем, как и постоянная Хаббла, определяющая возраст Вселенной. Однако неизменность гравитационной постоянной подтверждается всеми данными теоретических и опытных исследований.

Обычно в физике «наблюдатель» не принимается во внимание. Ряд ученых подвергли сомнению это предположение, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его, и неотделимо в самом фундаментальном смысле.

Они утверждают, что действительно существует некий принцип, осуществляющий невероятно тонкую подстройку Вселенной. Только это не физический, а антропный принцип. Такую мысль развивали А. Эддингтон, П. Дирак, Дж. Барроу, Р. Дикке, Б. Картер и др.

Р. Дикке одним из первых привлек биологию для объяснения непонятной особенности Вселенной, которая весьма специфична. В 1961 году он заявил об ошибочности поисков физического объяснения особенностей Вселенной. Аргументы Р. Дикке обосновывают, что гравитационная постоянная тонкой структуры в качестве мировой константы детерминирует эволюцию Вселенной в направлении, ведущем к возникновению человека, и что возникновение человека становится возможным тогда, когда возраст Вселенной (t now) сравняется с числовым значением .Таким образом, биологическое объяснение фундаментальной особенности Вселенной увенчалось успехом там, где теоретическая физика потерпела неудачу.

Как видим, рассуждения Р. Дикке вполне логичны. Поэтому идею антропного принципа можно считать научно обоснованной.

Казалось бы, здесь все логично, ясно и обоснованно. Но именно с этого пункта начинается разнобой особых мнений и взглядов на антропный принцип космологии. Точнее говоря, существует широкое неприятие антропного принципа как ненаучной (антинаучной) идеи, но без сколько-нибудь строгого физического и логического обоснования. Причина этого, на наш взгляд, в мировоззренческих основаниях - в атеистических предубеждениях одних и размытости мировоззренче­ской составляющей других.

Так, П. Девис сетует на то, что выводы Р. Дикке не согласуются с коперниковской традицией, отрицающей привилегированное положение Земли в пространстве. Однако Р. Дикке относительно пространственной выделенности t now вообще ничего не говорит, величина t now сама за себя говорит о выделенности ее лишь во времени, поэтому указанное сомнение П. Девиса снимается. Иногда в качестве возражения указывается на то, что антропный принцип (АП) не соответствует принципу относительности классической и релятивистской физики. Во-первых, это некорректное возражение, поскольку принцип относительности касается лишь движения систем отсчета друг относительно друга, а в данном случае речь идет об эволюции Вселенной. Во-вторых, что касается другого смыслового аспекта относительности - инвариантности систем отсчета, то в этом отношении мировые константы являются образцом постоянства своего действия.

Антропный принцип требует в центр проблемы выдвинуть одну константу - хаббловский возраст Вселенной (точнее t now). И далее требуется установить ее связь с другими величинами, которые характеризуются столь же большими значениями (10 40).

Однако такая расширенная постановка вопроса пока что не проработана. Чтобы сохранить антропный, принцип для расширенного случая, саму формулировку АП усиливают и называют это сильным антропным принципом.

В формулировке Б. Картера сильный АП выглядит так: «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателя».

В сопоставлении с этим характеристику АП, данную Робертом Дикке, Брандон Картер обозначил как слабый антропный принцип. Р. Дикке так раскрывает смысл слабого АП: наше существование как наблюдателей, состоящих из соединений углерода, объясняет равенство двух разных отношений одному и тому же большому числу:

В отличие от этого сильный АП, расширенный по содержанию, физически еще не обоснован, поэтому вызывает скепсис многих авторов. Скепсис, который обычно не подтверждается никаким анализом и никакими серьезными аргументами. Для примера обратимся к высказыванию серьезного автора, каковым является П. Девис. Сильный антропный принцип «представляет собой радикальный отход от традиционной общей концепции научного объяснения. По существу, он утверждает, что Вселенная приспособлена для существования жизни и что как законы физики, так и начальные условия подстраиваются таким образом, чтобы гарантировать появление жизни. В этом отношении сильный антропный принцип сродни традиционному религиозному объяснению мира: Бог сотворил мир, чтобы люди населяли его».

А суть дела проста и состоит в идее предопределенности: исходные мировые константы предопределяют последующую эволюцию Вселенной. Эту идею и не приемлет Девис, но выше отмечалось, что идея предзаданности онтологически и методологически оправдана. Она идет от Аристотеля и широко используется в науке, во всех ретроспективных научных исследованиях.

Таким образом, слабый антропный принцип, на наш взгляд, можно считать хорошо обоснованным логически и физически. Сильный антропный принцип еще не получил достаточного физического обоснования, но логически связан с первым и дополняет его.

Идея антропного принципа в формулировке Р. Дикке не нуждается в защите, так как ее автор превосходно сделал это сам. Мы лишь старались подчеркнуть логичность его рассуждений и корректность его аргументации. Равносильного преодоления аргументации Р. Дикке, насколько нам известно, не существует и вряд ли это возможно.

Но, несмотря на нашу приверженность антропному принципу, нас не вполне удовлетворяют аргументы сторонников этого принципа и, тем более, его противников. Общим недостатком тех и других является то, что они ограничиваются рассмотрением лишь внешних условий, а именно мировых констант, и, исходя из них, пытаются обосновать или опровергнуть АП.

Необходимо осознать, что условия, сколь бы фундаментальными они ни были, не раскрывают эволюции Вселенной в ее необходимости. Нам представляется, что понять эту необходимость можно лишь на основе ближайших причин, которые по своей фундаментальности должны быть сравнимы с мировыми константами. Вместе с тем, поскольку они являются ближайшими, то по необходимости должны изменяться в эволюции Вселенной. Иначе говоря, мировые постоянные должны быть дополнены мировыми переменными величинами. Наукой и философией такие переменные величины установлены, хотя их список, возможно, еще не является полным.

Переменными эти величины являются в том смысле, что в эволюции материальных систем они качественно изменяются, развиваются. Так, отражение - всеобщее свойство материи, но оно способно к развитию, воплощаясь в качественно различные формы: элементарное отражение на уровне физико-химических взаимодействий, раздражимость на уровне живой протоплазмы и, далее, в виде ощущений, восприятий, воображения, мышления. К качественным изменениям способно и другое всеобщее свойство материи - саморегуляция, которая может выступать и в примитивной форме, выражаемой принципом Ле Шателье-Брауна, в виде гомеостаза и в разных видах психической саморегуляции, и в виде социальной саморегуляции. Активность также способна к развитию и также воплощается в разные формы взаимодействия и деятельности.

Идея дополнения мировых констант универсальными переменными величинами, на наш взгляд, является конструктивной и эвристичной. Даже из краткой и беглой наметки этой идеи можно вывести ряд нетривиальных следствий, проливающих свет, казалось бы, на неразрешимые вопросы. Укажем два таких следствия.

1. Поскольку жизнь и разум производны от развития одних и тех же всеобщих свойств материи, указанных выше, то они (жизнь и разум) должны быть сопоставимыми для разных планетных систем и галактик. Если на разных планетах продолжительность их развития совпадает, то и сами они по необходимости должны быть подобными. При разной продолжительности развития жизни разум на одной планете может отличаться сколь угодно существенно от разума на другой планете, но не настолько, чтобы исключить в принципе понимание друг друга. Поэтому утверждения о цивилизации в виде «черного облака» (Ф. Хойл), «океана мыслящей плазмы» (С. Лем), «разумной плесени» (А. Н. Колмогоров) мы рассматриваем как шутки выдающихся авторов.

Таким образом, обосновывается возможность экстраполяции земных условий на космические.

2. Из той же посылки можно сделать еще один вывод, возвышающий земные представления до космического уровня. В самом деле, поскольку жизнь и разум на планетах Галактики и Метагалактики производны от набора одних и тех же всеобщих свойств материи, то, раскрывая природу земного разума через эти всеобщие свойства, мы преодолеваем антропоморфизм и геоцентризм и поднимаемся до уровня космологической характеристики.

Таким образом, для конструктивного понимания эволюции материи Вселенной нужно исходить не только из фундаментальных постоянных величин в виде мировых констант, но и из не менее переменных величин в виде всеобщих свойств материи, которые образуют ближайшее основание эволюции и позволяют понять ее в ее необходимости. Этим открываются дополнительные возможности для обоснования и развития антропологического принципа космологии.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Мотылева Л. С., Скоробогатов В. А., Судариков А. М. Концепции современного естествознания. – СПб.: Издательство Союз, 2000. – 320с.

Аннотация
В этом топике обосновывается почему космологический принцип не применим в части распространенности жизни во Вселенной.
Рассматриваются предполагаемые механизмы зарождения жизни и на основании их рассмотрения делается вывод о чрезвычайной редкости жизни во Вселенной.

1. Космологический принцип

Современная космологическая теория базируется на следующем основном положении, называемом космологическим принципом: каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения обнаруживает во Вселенной одну и ту же картину. Независимость от места наблюдений, т.е. равноправие всех точек пространства, носит название однородности, независимость от направления, т.е. отсутствие выделенного направления в пространстве - изотропии Вселенной.

Уже непосредственно из космологического принципа следуют некоторые важные выводы относительно строения Вселенной. Например, Вселенная как целое не должна вращаться (поскольку ось вращения была бы выделенным направлением), у нее не должно быть центра и пространственной границы (иначе нарушалось бы условие однородности Вселенной). Вообще, главный вывод, вытекающий из космологического принципа, это безграничность Вселенной. Можно сказать, что это утверждение является определением самого понятия “Вселенная”. ()

Но данный принцип выполняется лишь приближенно. Галактики, звезды, планеты, наконец, живые существа являются отклонениями от однородности Вселенной, поскольку их существование означает, что физические условия в разных точках различны. ( см. там же)

Последнее, как правило, очень часто игнорируется и наши рассуждения при этом примерно следующие: "Вселенная изотропна и однородна и везде должны действовать одинаковые законы физики и химии. Мы здесь есть, и порождены этими законами (по крайней мере не противоречим им) следовательно мы вправе предположить, что раз там где-то такие же законы там тоже жизнь есть и тоже и разумная." Таким образом этими рассуждениями мы одной неоднородности Вселенной приписываем свойство того, чем она не является - свойство однородности. Нас не удивляет, что нет абсолютно одинаковых Галактик - что мол взять с флуктуаций. Но интуитивно трудно отрешиться от мысли, что сам факт наличия жизни это разновидность флуктуации , которая не обязана присутствовать везде и всюду. Очень и очень трудно. Поэтому я и не надеюсь, что даже понимание того, что жизнь как раз есть не следствие космологического принципа, а наоборот отклонение от него кого-то сможет убедить, что она редкая. Нам это просто психологически не комфортно. Я бы представил этот психологический эффект, на уровне физического явления так, предположим, что какая-нибудь близкая Галактика (а может и наша), при тех же законах физики полностью, ну или на 90% состояла бы из желтых карликов, такая вот была бы аномалия. Нам тогда было бы очень трудно представить, что нигде больше нет таких Галактик, поскольку мы одну наблюдаем. А сейчас мы уверены, что таких Галактик быть не может и можем привести море доводов почему они невозможны. Такой вот психологический парадокс.

2. Пара аргументов за широкое распространение жизни и возражения на них

2.1. Это мой собственный аргумент, когда я еще был сторонником широкого распространения жизни во Вселенной.

Я рассуждал примерно так: наблюдения история её существования показывает, что жизнь это очень устойчивая система. Она существует и в подледных океанах и в горячих источниках и в Марианской впадине и в термосфере, чуть ли не высоте 400 км. Она переживала шесть массовых вымираний, но сохранилась. Если верна гипотеза "Земли-снежка", то она пережила миллионы лет на полностью оледеневшей планете. В общем это система со сверхустойчивым равновесием, как не выпихивай её из "лунки существования" - она возвращается к исходному состоянию - "существование жизни". Стало быть, рассуждал я, раз это некая физико-химическая зона равновесия, то её появление есть просто естественный процесс скатывания физико-химических процессов в эту "лунку".
И где-то я высказал это свой аргумент на просторах интернета. На, что мне было высказано возражение, которое я вынужден был принять, ввиду его справедливости. Возражение выглядело примерно так: "Да действительно, это жизнь устойчивая система, это некая "потенциальная яма" - попав в которую уже трудно выбраться из неё. Но "нежизнь" тоже устойчивая система и преодолеть "потенциальный барьер" между этими двумя устойчивыми состояниями очень и очень трудно". Это конечно не дословно, но смысл был такой.
Ситуация очень похожа на квантовомеханическое представление о "ложном" и "истинном" вакууме.
Только в роли "ложного вакуума" - устойчивая жизни, а "истинного" - "не жизнь".

2.2. Второй аргумент достаточно известен: "Как показывает палеонтологические исследования, жизнь на планете Земля появилась очень рано, практически сразу, как появились мало-мальские условия для этого. Первые признаки её существования это где-то 3,8 млрд. лет назад (графитовые отложения Исуа, Гренландия).
Ну и практически достоверно - строматолиты 3,5 млрд. лет назад. Что означает, фактически вероятность зарождения жизни, в соответствующих условиях близкую к единице."

На этот аргумент, сами того не ведая, возразили исследователи группы Сазерленда, доказавшие возможность абиогенного синтеза всего необходимого спектра "кирпичиков" для появления жизни:
Цианосульфидный протометаболизм - верный путь к земной жизни

Это процесс у них отнесен к эпохе поздней метеоритной бомбардировки:

Цитировать

Вот как это могло происходить.

При столкновениях углеродистое вещество метеоритов соединялось с атмосферным азотом, в результате этой высокотемпературной реакции синтезировался цианистый водород. Из метеоритного шрейберзита - железо-никелевого фосфида - при импактных высокоэнергетических событиях получались фосфаты. В присутствии воды (вот она - теплая лужа!) цианистый водород растворялся и соединялся с железом, образуя ферроцианид. Туда же смывались хлориды, растворимые соединения натрия, калия, кальция - всего того, что в достатке имела молодая Земля. Когда лужа испарялась, а она должна была испаряться из-за высокой температуры на поверхности планеты и метеоритной бомбардировки, ферроцианид нагревался и, взаимодействуя с калием, натрием, кальцием образовывал соответствующие цианиды, углерод и карбиды. Этот слой твердых солей исключительно перспективен, так как при их растворении и нагревании получается набор необходимых для «жизни» ингредиентов: цианистый водород, цианамид, ацетилен. Последний образуется при растворении карбида кальция в воде. Фосфаты и сероводород прилагаются.

Чтобы приготовлялся бульон, наша лужа должна была периодически высыхать и снова заполняться водой, периодически освещаться светом и временами погружаться в темноту. И тогда в ней сам собой мог пойти синтез сразу всех необходимых биологических молекул: нуклеотидов, аминокислот, липидов. Ученые предложили взаимосвязанную сеть реакций, и уж если старт дан, то на выходе получится весь набор. И нет нужды гадать, что было раньше - аминокислоты и белки или сахара с рибонуклеотидами. Всё было сразу. Теплая лужа - это горячий и пересыхающий водоем, заполненный синильной кислотой и сероводородом, освещенный жестким ультрафиолетом: добро пожаловать, жизнь!

Т.е. у жизни был только короткий период, когда она могла появиться. Тогда или никогда. Иначе "кирпичики жизни" просто рассыпались бы. А раз мы здесь, то какая бы малая вероятность появления у жизни не была, она появилась в единственно возможный для её появления момент.

3. Дьявол прячется в деталях

Есть такая особенность у нашего мышления - наша способность обобщать. Рассматривать все с высоты птичьего полёта. Оно хорошо для выдвижения научных гипотез, создания художественных образов, интуитивного постижения предметов. Но у этого способы мышления есть недостаток, такое мышление "туманное", "размытое" и в данном случае, в вопросе зарождения жизни, этот способ мышления (смыслы без подробностей) приводит к заблуждению. Мы знаем, что происхождение жизни это некий физико-химический вопрос, и предполагаем, упрощенно рассуждая, что раз жизнь появилась в результате естественных физико-химических процессов, а это так есть, то данный процесс должен воспроизводится "здесь и везде". А вот последнее как раз заблуждение. И вот почему.

То, что "кирпичики" здания жизни появляются вполне закономерно, я описывал выше (исследования группы Сазерленда). Даже более того, известны некаталитические процессы при которых могут "собираться" длинные цепочки ДНК/РНК полимеров: Тепловой поток через открытую пору способствует непрерывной репликации нуклеиновых кислот и отбору более длинных цепочек .
Но вот тут-то и начинаются особенности, которые не видны при обобщенном "размытом" мышлении, но меняют всю картину кардинально в подробностях. А дело вот в чем - абиогенный процесс полимеризации нуклеотидов совершенно случаен. В каком порядке подгоняются к концу цепочки строящегося ДНК/РНК нуклеотиды - это результат броуновского хаотичного процесса.
А для того, чтобы запустился процесс молекулярной эволюции, не подходит любой полимер ДНК/РНК. Нужен определенный ДНК/РНК о определенной последовательностью нуклеотидов, с "исходным кодом жизни". Какой именно не важно, это зависит от конкретной гипотезы происхождения жизни, суть в том, что не любой. Вариантов таких "нужных" последовательностей гораздо меньше, чем все генеральная совокупность вариантов сочетаний последовательности кода нуклеотидов. Эта случайность сборки и и дает низкую вероятность зарождения жизни от ~10^-20 до 10^-1000 . Для мультиверса размером 10^1000000000000 планковских величин это, конечно много раз сбывающееся событие. А для нашей Вселенной, размером 14*10^9, это если попадет на нас, то пожалуй очень редкий, если не единственный случай на Вселенную.

4. Пути отступления от логики неизбежного одиночества.

Я как-то взялся оценить, какова вероятность зарождения жизни, в зависимости от количества попыток у Земли, и возможной доли рибозим (каталитических активных РНК) в общей генеральной совокупности всех возможных вариантов сочетаний нуклеотидов и у меня получилось, что чисто теоретически возможна вероятность зарождения жизни близкая к единице:

Если, например, в последовательность из 200 нуклеотидов, окажется 10^80 вариантов "дающих жизнь" рибозим.

Но здравый смысл подсказывает, что вряд ли такое возможно. А исследований в этой области (пусть компьютерным моделированием) никем не проводилось. Не говоря уже об экспериментах.

Мы привыкли, что сумма углов в любом треугольнике равна 180 °; что через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной. Это - постулаты евклидовой геометрии, присущие двумерном пространства, то есть плоскости. По аналогии мы считаем, что и наш трехмерное пространство - евклидово пространство, и все аксиомы плоскостной геометрии сбываются и для пространства трех измерений. Но в XIX веке независимо друг от друга русский математик Николай Лобачевский и немецкий ученый ГеоргРиман доказали, что могут существовать и другие геометрии, отличные от евклидовой, и столь же внутренне непротиворечивые.

Так, пятый постулат Евклида утверждает, что через точку вне прямой можно провести только одну прямую, параллельную данной. Однако, оказалось, что возможны и другие варианты:

через точку вне прямой нельзя провести ни одной прямой, которая была бы параллельна данной (постулат Римана)

через точку вне прямой можно провести бесчисленное количество прямых, параллельных данной (постулат Лобачевского).

Эти постулаты вызывают некоторое недоумение. На плоскости они действительно неправильные. Но, кроме плоскости, в природе есть и другие поверхности, а для них исполняются уже постулаты Лобачевского и Римана, а евклидова геометрия неприменима.

Представим себе, например, поверхность сферы. На ней кратчайшее расстояние между двумя точками отсчитывается не по прямой (их нет на сфере), а по дуге большого круга (так называют окружности, радиусы которых равны радиусу сферы). На сфере выполняется своя, сферическая геометрия, для которой исполняется такое утверждение: сумма углов треугольника всегда больше 180 °. Представим себе треугольник на сфере, образованный двумя меридианами и дугой экватора. Углы между меридианами и экватором равны 90 °, а к их сумме прибавляется угол между меридианами с вершиной в полюсе (геометрия Римана).

Существуют и такие поверхности, для которых справедливым оказывается постулат Лобачевского. Такой поверхностью оказалась седловидная поверхность (поверхность, похожая на седло лошади). Такая поверхность называется псевдосфере. На ней сумма углов треугольника меньше 180 °.

Есть наше пространство евклидовым, римановым или пространством Лобачевского - однозначного ответа на этот вопрос нет. ,

Космологический принцип

Итак, современная космология берет начало с открытия, что Земля не является центром Вселенной. Развенчание особой роли нашей планеты породило космологический принцип, который утверждает, что в целом Вселенная выглядит одинаково, в каком бы месте мы его не наблюдали.

Слова "в целом" означает, что мы должны исследовать область Вселенной диаметром порядка в несколько миллионов световых лет. Все имеющиеся данные наблюдений согласуются с такой рабочей гипотезой. Космологический принцип необходим также и менее благородных причин без него было бы невозможно решить сложные уравнения теории поля Эйнштейна, описывающие эволюцию Вселенной.

Вселенная Эйнштейна

Приступая к построению космологии, основанной на только что созданной им общей теории относительности, Эйнштейн придерживался определенных общих взглядов на Вселенную: он считал, что Вселенная в целом должен быть однородным. Однородность означает равноправие всех его "мест", или, как говорят математики, всех точек его пространства. Эйнштейн предполагал также изотропию Вселенной, то есть равноправие всех его направлений.

Эти заключения не следовали произвольно ни с одного принципа физики, ни в теории относительности. Не было тогда и никаких конкретных астрономических сведений о крупномасштабных свойства Вселенной. Это были традиционные интуитивные представления об общих свойствах Вселенной, достигали корнями идей Коперника и Бруно. Дальнейшее развитие наблюдательной астрономии вполне их подтвердил: Вселенная как целостность действительно оказался однородным и изотропным.

Однородность и изотропность - это пространственные свойства Вселенной, который мы наблюдаем. А какие его временные свойства?

Следует отметить, что в отношении временных свойств Вселенной тоже существовала традиция, которой придерживался Эйнштейн. Он считал, что Вселенной целом находится в неизменном состоянии и совершенно не зависит от течения времени. Конечно, тут и там в мирах могут рождаться и умирать звезды или даже галактики. Но, собственно, сама Вселенная как таковой не изменится. Если погасли какие звезды или даже галактики, то вместо них возникают другие, но картина мира в общем масштабе остается одинаковой Так не меняется и остается самим собой лес, хоть поколения деревьев в нем меняются.

Эйнштейн представлял Вселенная статическим, то есть неподвижным, вечным и неизменным во времени. В любой момент Вселенная одинаков. Из таких одинаковых неразличимых мгновений состоит общее время Вселенной. В начале XX века такие представления о Вселенной и его время казались естественными и даже очевидными.