Академия. Антропный принцип и космология Мультивселенной, 4 неделя курса "Философия и наука: введение в философию физических наук"
В данном, заключительном, конспекте будет рассмотрен антропный принцип, по которому можно придти к заключению, почему Вселенная вокруг нас именно такая, и почему мы живем в ней. Будет рассмотрена инфляционная теория и вероятность существования Мультивселенной, частью которой является наша Вселенная.
.png)
Антропный принцип и философия.
Люди имеют химию тела на основе углерода и все мы живем в мире, который можем воспринимать только в 3х пространственных измерениях. Это примеры антропных эффектов, но они могут определять очень широкий диапазон различных физических и наблюдаемых обстоятельств, от химии, физики, астрономии, геологии и возможно даже структуры пространства и времени.
Термин «антропный принцип» был придуман в 1974 году австрийским физиком Брэндоном Картером. Со временем он приобрел множество асоциаций и некоторые из них могут ввести в заблуждение, но идея которую заложил Картер гласит, что мы можем наблюдать только то, что способны воспринять в виду физических условий.
В прошлом философы придавали Земле и людям центральное положение во Вселенной. Так согласно геоцентрической астрономии Земля находится в самом центре Вселенной, а все остальные планеты и звезды движутся по своим орбитам вокруг нее. Но постепенно накапливались противоречия такой теории и в середине 16 века астрономы, во главе с Коперником, пришли к гелиоцентрической системе, в которой солнце является центром, а Земля вращается вокруг него, как и все прочие планеты. Со временем процесс низложения центрального положения во Вселенной продолжался и так геологический открытия существенно увеличили возраст Земли и Вселенной в целом.
В 1859 году после публикации Дарвина о происхождении видов, начала набирать обороты мысль о том, что можно объяснить происхождение жизни не божественным вмешательством, а биологическими процессами и естественным отбором. Так со временем в сознании людей прижился факт того, что мы не занимаем центральное положение во Вселенной и возникает мысль, что мы довольно таки заурядные существа и живем в области Вселенной, которая ничем не примечательна. И теперь антропные рассуждения пытаются найти баланс между важностью и типичностью нашего существования. В антропном принципе говорится, что вид наблюдателя, скорее всего, обусловливает те условия, которые он наблюдает.
Широкий спектр физических явлений, которые не связаны друг с другом, тем не менее имеют очень важное значение, они создают такие условия, при которых может появиться жизнь. Будь то факты о углеродной химии, о замораживании воды, факты о структуре космоса, факты о возрасте звезд. Эти факты наталкивают некоторых философов на мысль, что лучшее объяснение структуры физической Вселенной является то, что она была кем-то создана.
Взглянув в телескоп можно увидеть большое разнообразие объектов во Вселенной и их возрастов, туманности, все возможные классы звезд и многое другое. Это разнообразие отчасти связано с тем, что мы являемся физически зависимыми наблюдателями, которым требуется очень узкий диапазон физических условий и очень широкий спектр физических элементов. Наши тела содержат элементы, начиная от легких элементов, таких как водород, вплоть до более тяжелых, таких как железо и натрий. Тяжелые элементы создаются в самом центре звезд благодаря процессу звездного нуклеосинтеза, это процесс слияния, с помощью которого легкие ядра объединяются с образованием более тяжелых ядер. И исходя из этого мы в буквальном смысле состоим из звездной пыли которая в прошлом распространилась по Вселенной из нескольких поколений звезд, которые закончили свою жизнь взрывом. Не случайно и то, что химия нашего тела основана на углероде, он обладает уникальными свойствами, которые делают его подходящим для формирования длинных цепочек молекул и в конечном итоге форм жизни.
Теперь рассмотрим Солнечную систему и ее диапазон, в котором мы обитаем.
Физические условия, при которых углерод может формироваться и образовывать длинные цепочки молекул, встречаются крайне редко. В нашей Солнечной системе есть 8 планет и их спутники, они имеют серьезные недостатки для условий формирования жизни. На ближайших к Солнцу планетах слишком жарко и очень большая концентрация солнечной радиации, на дальних слишком холодно и так же имеют убийственные концентрации вредных для нас веществ. Наша планета находится в узком диапазоне температур и давления, в так называемом поясе Златовласки.
Рассмотрим еще одни антропный пример. Вокруг себя мы наблюдаем 3 пространственных измерения, не больше и не меньше. Грубо говоря одно работает вперед и назад, другой вправо и влево, еще один вверх и вниз. Есть причины для предположения, что жизнь, в любой физической форме, не может существовать в пространствах имеющих меньшее или большее количество измерений. Если бы была только одна плоскость, то в таком мире не было бы возможности для развития нервной системы. В случае с более чем 3 измерениями, чрезвычайно сложно заключить объемы, поэтому формирование клеток, образующих сложные внутренние органы, было бы практически невозможно.
Многие философские и физические теории предполагают, что Вселенная в которой мы живем, это всего лишь часть чудовищно большой (бесконечной?) Мультивселенной, которая может содержать все возможные физические комбинации, комбинации времени и пространства, измерений. То тогда нет ничего удивительного, что мы живем во Вселенной, которая содержит только те сочетания условий, которые необходимы нам для жизни.
В начале конспекта упоминается, что термин «антропный принцип» приобрел множество различных значений и не которые из них вводят в заблуждения или даже противоречат друг другу. Есть три важные проблемы, когда небольшое разъяснение того, что означает антропное мышление, может быть очень полезным:
Само название - антропный происходит от греческого антропос, что означает человек, из-за чего возможно и пошли неверные ассоциации. С одной стороны антропный принцип не конкретно о человеке, а скорее принцип который может быть применен к любой физической форме способной быть в роли наблюдателя.
Вторая проблема - антропный принцип иногда отвергается, как простая тавтология или логическая истина как например, "белы лебеди белого цвета". Это не совсем справедливо, ведь данный принцип не говорит "вы эволюционировали там, где вы эволюционировали", вот это было бы тавтологией. Антропный принцип говорит, что в подавляющем большинстве случаев вы эволюционировали в условиях, подходящих для вашей эволюции. Принцип который делает наше местоположение вероятным, типичным или ожидаемым. Мы можем быть очень маловероятным наблюдателем в очень нетипичных для нас условиях наблюдений, но при прочих равных условиях мы не должны одобрять объяснения, которые делают нас уникальными.
Различия между двумя формами антропного принципа - Есть две формы антропного принципа, слабый и сильный. Сильный антропный принцип иногда представляется так, как будто это неизбежное следствие слабого антропного принципа, а это вероятно не так. Слабый принцип ближе всего стоит к первоначальной формулировке Картера, а сильный обобщает слабый антропный принцип на Вселенную в целом. Он говорит только в условной форме, если мы эволюционировали в этой Вселенной, то в подавляющем большинстве случаев, вероятно, что эта Вселенная содержала условия, подходящие для нашей эволюции, обобщая и расширяя умозаключения из слабого антропного принципа.
Таким образом, делая вывод обо всем вышесказанном, один из способов избежать самонадеянного вывода состоит в том, чтобы задуматься о явлениях, которые были представлены и думать, что кажущаяся тонкая настройка физической Вселенной может поддержать гипотезу о том, что эта Вселенная является всего лишь одним сегментом бесконечной Мультивселенной.
Антропный принцип и космология.
Изучив основную идею антропного принципа, мы можем пойти дальше и посмотреть, как эти идеи привели к современной космологии и идеи Мультивселенной. Мотивация для этой идее очень сильна из за проблем энергии вакуума, о которой говорилось в прошлом конспекте.
Энергия вакуума, темная энергия, остается постоянной насколько мы знаем, в отличии от обычной материи, плотность которой со временем уменьшается. Плотность темной энергии составляет около 10^-29 г/см³ . Согласно аргументам неопределенности можно было бы ожидать, что плотность энергии вакуума будет характерна для наибольшей энергетической шкалы, которую мы можем себе представить, но в таком случае это число было бы примерно от 10 до 100 кг/м³. Но энергия вакуума намного меньше, чем можно было ожидать.
По теории Мультивселенной, есть вероятность, что в других Вселенных плотность вакуума может быть намного выше, чем в нашей Вселенной. Но существование Мультивселенной пока не доказано и гадать о ее существовании, это тоже самое, что подбрасывать монетку. Но, что интересно, она естественно вытекает из современной теории космологических начальных условий, инфляции.
Инфляция была разработана в начале 1980-х годов, чтобы решить некоторые из проблем, связанных с Большим взрывом. Как мы знаем, Вселенная расширяется, но что было до начальной сингулярности? И здесь встает проблема горизонта до которого мы можем заглянуть в прошлое, в то время когда не было возможности послать световой сигнал. И все что нужно сделать, это растянуть имеющийся масштаб и это то, что делает инфляция. Тут на передний план выходит предположение, что на раннем этапе плотность энергии вакуума была намного больше, чем в настоящее время.
Если предположить, что плотность зависит от времени, то в самом начале в маленькой плотной области, возможно даже субъядерного масштаба, при доминировании плотности вакуума эта область приходит к быстрому расширению и росту Вселенной, до состояния которое мы наблюдаем сейчас. Тогда на самом деле выходит, что энергия вакуума падает со временем.
И если принять эту теорию, то может оказаться так, что Вселенная намного старше чем мы предполагаем сейчас. И возможно физика, в которой мы нуждаемся, пылится на полке с 1960 года, когда Питер Хиггс пытался решить проблему происхождения массы элементарных частиц.
Для этого он ввел во Вселенную новый компонент, который сейчас называют полем Хиггса. Оно дает пространству плотность энергии. Функция, которую придумал Хиггс, выглядит примерно следующим образом:
Шар может быть на уровне (V), где высокое значение темной энергии, он может скатиться вниз или качаться вокруг дна, где значение темной энергии является низким. Так динамика поля Хиггса дает нам механизмы и путь, в котором эффективное значение энергии вакуума может меняться со временем и падает с высокого значения до низкого.
Одна из причин, по которой теория инфляции укоренилась очень быстро в космологическом сообществе, заключается не только в том, что она потенциально разрешила глобальные проблемы расширения Вселенной, но также дала потенциальный ответ происхождения структуры Вселенной.
Ранее рассматривалась структура распределения галактик, на которой были заметны участки с низкой плотностью. По инфляционной модели, энергия вакуума не может быть нулевой или постоянной, а имеет некую амплитуду колебания и этим можно объяснить структуру распределения галактик и колебаний в реликтовом излучении.
Почему инфляция предполагает вероятность Мультвселенной.
В тех местах, где инфляция остаётся на вершине она продолжается, и создаёт всё больше пространства. Там, где она скатывается вниз, инфляция прекращается и происходит Большой взрыв. Некоторые регионы будут продолжать испытывать инфляцию постоянно и пока скорость расширения пространства больше, чем скорость, с которой заканчиваются инфляционные кривые, будет происходить бесконечное количество Больших взрывов. При этом они будут не связанных друг с другом, создавая новые Вселенные, среди которых и наша, с низким значением энергии вакуума.
.png)
Но, выходит есть Вселенные с более высоким значением темной энергии, почему мы не находимся в одной из них? Ответ потенциально был дан Стивеном Вайнберогом в 1980 - х годах. Он был озадачен фундаментальными аргументами относительно того, почему энергия вакуума должна быть намного выше, чем кажется и в итоге пришел к антропному аргументу.
Рост структуры Вселеноой, в зависимости от времени, происходит под действием гравитации , но в как то момент происходит выравнивание и начинает доминировать темная энергия. Таким образом, пока доминирует обычная материя, гравитация вызывает структуры с большими скоплениями галактик и относительно пустые участки. Но если бы с самого начала доминировал темная энергия, то все бы расширялось слишком быстро, так Вайнберг понял, что большое значение темной энергии будет подавлять образование структур.
В первую очередь он понял, почему мы не живем во Вселенной, где плотность вакуума высокая, в таком мире просто нечего было бы наблюдать. Так же он предсказал, что плотность будет не нулевой, она будет просто ниже порогового значения.
Все это звучит слишком хорошо и конечно ученым требуются подтверждения, но как можно протестировать инфляцию? Лучшая проверка которую можно предположить, основана на идее, что структура во Вселенной возникла благодаря квантовыми механическими колебаниями. Потому что если этот механизм работает, то он должен влиять на гравитационное поле, так инфляционная теория предсказывает реликтовые гравитационные волны. Ответ на вопрос, как их обнаружить, дал советский физик Алексей Старобинский.
В 1979 году он понял, что гравитационные волны будут генерироваться во время инфляции и их наблюдение позволило бы увидеть Вселенную на этой стадии. Микроволновый фон будет зависеть от этих гравитационных волн и в принципе с его помощью можно выявить наличие этих волн, приходящих с эпохи инфляции. Идея поиска доказательств изначальных гравитационных волн из инфляции с использованием свойств микроволнового фона существовала примерно с 1990-х годов. И в 2014 году по итогу эксперимента BICEP2, исследователи объявили, что обнаружили гравитационные волны в соответствии со свойствами волн, ожидаемых от инфляции. Если так и есть, то это доказательство инфляционной Вселенной. Вокруг этого эксперимента шла дискуссия, что возможно сигнал наблюдаемый в эксперименте, может быть вызван галактической пылью, что и было доказано в последствии.
Как бы там ни было, сейчас удивительное время для космологии, есть полная картина того, как началась Вселенная, как возникла структура в ней и почему мы живем именно в этой Вселенной.
И все же с философской точки зрения это тревожное время. Потому что для объяснения наблюдений во Вселенной вокруг нас, пришлось ввести гипотезу многих других Вселенных, которые мы не можем увидеть. Относится ли эта теория к науке, ведь наука должны быть ограничена слиянием теории и наблюдением и либо теория подтверждается либо опровергается.
Если невозможно провести наблюдение, то как можно проверить эту теорию? Наука всегда имеет некоторое ограничение и для примера можно взять температуру в центре Солнца, она составляет около 15 миллионов градусов и нет сомнений что эта цифра правильная, потому, что эта цифра рассчитана по законам физики которые были проверены много раз. Таким образом если достигнута полная уверенность на теоретической основе, значит мы в состоянии доверять таким предсказаниям, ведь никто же не пойдет в центр солнца с термометром чтобы проверить температуру.
Возможно можно будет применить этот принцип к Мультивселенной, когда и если будут обнаружены реликтовые гравитационные волны. И теория множества Вселенных говорит, что есть такие, которые полностью стерильны и не пригодны для возникновения жизни, исходя из антропного принципа, мы оказались достаточно удачливы, раз живем в одной из Вселенной, в которой как раз возможно развитие жизни.
Заключительная неделя была не менее интересной, чем другие, а если честно, мне понравилась даже больше, чем предыдущие :) Антропный принцип оказался занимательной вещью, которая может многое объяснить, даже несмотря на то, что ее некоторые считают тавтологией. А Инфляционная модель и ее возможность существования Мультивселенной очень сильно расширяет горизонт, который не ограничивается нашей Вселенной.
В целом по всему курсу могу сказать, что это была замечательная возможность погрузиться в историю космологии, посмотреть на первые шаги к современному пониманию мира вокруг нас, с каким трудом космология пробивалась в ряды науки и как в итоге стала занимать одно из центральных положений. Если интересна эта тема, то однозначно советую изучить курс
Конспект составлен в рамках проекта Академия.
Условия участия и список курсов для изучения можно найти в соответствующем посте
Курс, по которому составлен текст можно найти здесь
P.S: Изображения кликабильны и ведут на источник.