Коваленко Ю.С.

Неклассические трактовки антропного космологического принципа

Развитие естествознания в начале ХХ века привело к созданию релятивистской, а затем и квантовой физики. Открытие нового направления в развитии науки привело к необходимости пересмотра методологических установок классической физики. Неклассическая физика представлена следующими методологическими установками:

• Признание объективного существования физического мира, т.е. его существования до и независимо от человека и его сознания.

• В отличие от классической физики, которая рассматривала мир физических элементов как качественно однородное образование, современная физика приходит к выводу о наличии трех качественно различающихся структурных уровней мира физических элементов: микро-, макро- и мегауровней.

• Явления микромира, микропроцессы обладают чертами целостности, необратимости и неделимости, которые приводят к качественному изменению представлений о характере взаимосвязи объекта и экспериментальных средств исследования.

• Причинность как один из элементов всеобщей связи и взаимообусловленности вещей, явлений, событий материального мира присуща и микропроцессам. Но характер причинной связи в микромире отличен от механистического детерминизма. В области микроявлений причинность реализуется через многообразие случайностей, поэтому микропроцессам свойственны не динамические, а статистические закономерности.

• Микроявления принципиально познаваемы. Получение полного и непротиворечивого описания поведения микрочастиц требует выработки нового способа познания и новых методологических установок познания.

• Основа познания — эксперимент, непосредственное материальное взаимодействие между средствами исследования субъекта и объектом. Так же, как и в классической физике, исследователь свободен в выборе условий эксперимента.

• Кардинальные изменения в методологии неклассической физики по сравнению с классической связаны с зависимостью описания поведения физических объектов от условий познания. В релятивистской физике — это учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света в вакууме. В квантовой физике — фундаментальная роль взаимодействия между микрообъектом и измерительным устройством, прибором. Неклассическая физика характеризуется, по сути, изменением познавательного отношения субъекта и объекта. В квантовой физике оно фиксируется принципом дополнительности.

• Если в классической физике все свойства объекта могут определяться одновременно, то в квантовой физике существуют принципиальные ограничения, выражаемые принципом неопределенности.

• Неклассические способы описания позволяют получать объективное описание природы. Но объективность знания не должна отождествляться с наглядностью. Создание механической наглядной модели вовсе не синоним адекватного физического объяснения исследуемого явления.

• Физическая теория должна содержать в себе не только средства для описания поведения познаваемых объектов, но и средства для описания условий познания, включая процедуры исследования.

• В неклассической физике, как и в классической, игнорируется атомная структура экспериментальных устройств.

• Структура процесса познания не является неизменной. Качественному многообразию природы должно соответствовать и многообразие способов ее познания. На основе неклассических способов познания (релятивистского и квантового) со временем должны сформироваться другие новые способы познания. Кардинальные изменения в системе методологических установок релятивистской физики (по сравнению с классической) связаны с выявлением зависимости описания поведения физических объектов от условий познания (учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света в вакууме). Произошло изменение гносеологической позиции субъекта и объекта — появилась необходимость указания на ту систему отсчета, с позиции которой описывается исследуемая физическая область.

Создание квантовой механики привело к еще более значительному пересмотру методологических принципов классической физики: введение нового класса принципиально статистических закономерностей; невозможность провести резкую границу между объектом и прибором, введение принципа дополнительности; невозможность одновременного определения всех свойств микрообъекта (принцип неопределенности); ненаглядность теоретических моделей; неоднозначность употребления понятий; необходимость указывать на условия познания и др.

Во второй половине XX в. основное внимание физиков обращено на создание теорий, раскрывающих с позиций квантово-релятивистских представлений сущность и основания единства четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнитного, «сильного», «слабого» и гравитационного. Эта задача одновременно является и задачей создания единой теории элементарных частиц (теории структуры материи). В последние десятилетия созданы и получили эмпирическое обоснование квантовая электродинамика, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия), есть перспективы на создание единой теории электромагнитного, «слабого» и «сильного» взаимодействий. Физики ожидают, что в отдаленной перспективе к ним должно быть присоединено и гравитационное взаимодействие. Таким образом, естествознание в настоящее время находится на пути к реализации великой цели — созданию единой теории структуры материи.

Развитие научного знания в своей динамике происходит в рамках определенных ограничений. Это и требование объективности научных фактов, и преодоление мифологических, религиозных и прочих как сказали бы позитивисты, метафизических тенденций в построении теорий, и т.д. С конца 60-х гг. нашего столетия происходит "переоткрытие” антропного принципа, который самими же физиками называется "нефизическим принципом”. В общем и целом это радикальный отход от традиционной классической схемы научного мышления с ее идеалом объектного рассмотрения Вселенной как объекта независимого от субъекта познания. Формулировку антропного принципа можно датировать выступлением известного астрофизика Брандона Картера в докладе "Совпадения больших чисел и антропологический принцип в космологии”. Картер начал словами: Земля, бесспорно, может быть рассмотрена как самый обычный астрономический объект из огромного числа подобных планет, обращающихся вокруг звезд типа Солнца в других галактиках. Если бы не особое обстоятельство: Земля – не просто планета, а это обитель для человека и других биологических видов, по крайней мере, нетипичных для множества астрономических тел. К слову сказать, большинство из них представляют собой либо разреженные газовые облака, либо горячие плазменные шары. Для существования всего биологического многообразия, не говоря уже о существовании человека и связанного с ним мыслящего духа, требуются определенные благоприятные условия, особые факторы, что в известном смысле свидетельствует о нетипичности нашего положения во Вселенной. Картер же концентрирует внимание на совершенно удивительном факте исключительной согласованности физических постоянных, небольшие отклонения в значениях которых исключили бы жизнь нашего типа. Различные физические системы, в диапазоне от атомных ядер до галактик, чрезвычайно чувствительны к точным значениям фундаментальных постоянных. Было замечено, что важные для нашего существования структурные единицы материи, например, такие звезды как Солнце, своими свойствами обязаны совпадениям чисел, которые построены из фундаментальных постоянных, относящихся вообще к разным разделам физики. Начальные параметры расширяющейся Вселенной, которые предопределили конкретные свойства нашей Вселенной, также согласованы с поразительной точностью. Иными словами, Вселенная каким-то непостижимым образом приведена в точное равновесие. Если бы природа избрала немного другую последовательность чисел, то мир был бы совершенно иной и, возможно, некому было бы и спрашивать, почему мир такой, а не иной. Эти совпадения больших чисел и послужили основанием для введения Картером антропного принципа, несмотря на его, с точки зрения многих физиков, "нефизичность” (что почти сродни "ненаучности”), в структуру астрономии.

Как известно, в настоящую эпоху эволюции Вселенной проявляются различия между четырьмя типами физических взаимодействий: электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым. Все названные типы имеют калибровочную природу. Особенность калибровочного взаимодействия состоит в том, что "сила” его определяется величиной заряда, соответствующего данному типу калибровочной симметрии. Заряд калибровочного взаимодействия одновременно определяет и величину заряда элементарной частицы, и величину самого взаимодействия, т.е. константу связи. Эти константы изменялись в ходе эволюции Вселенной. Если изменения трех констант за время расширения Вселенной изобразить на одном графике, то можно ожидать значения энергии, при котором все три константы будут иметь одно и то же значение. Данная энергия соответствует температуре во Вселенной 1015 ГэВ и масштабу расстояния 10–29 см. Это значение энергии Великого объединения, такого состояния Вселенной, в котором различие сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий еще не было проявлено. К слову сказать, современная физика уверенно движется в направлении осуществления программы построения единой теории всех известных физических взаимодействий, включая и гравитационное (теория Суперобъединения). Тонкий подбор значений констант различных типов взаимодействий как оказалось, имеет судьбоносное значение для нашей Вселенной. Приведенные выше факты родили версию сильного антропного принципа, которую Картер сформулировал следующим образом: "Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции допускалось существование наблюдателя”[1]. По сути, сильный антропный принцип утверждает, что Вселенная заведомо приспособлена для существования жизни и что как законы физики, так и начальные условия подстраиваются таким образом, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни.

Антропный принцип и инфляционные сценарии расширения Вселенной. Как уже отмечалось выше, такие параметры, как размер, масса, время жизни различных структурных единиц Вселенной – от ядер атомов до звезд, – определяются значениями фундаментальных постоянных. Однако размеры и массы галактик или их скоплений объяснить на основе только физических постоянных невозможно. Здесь важную роль начинают играть начальные условия расширения Вселенной и их исключительная согласованность.

В настоящее время произошло полное слияние таких областей знания, как физика элементарных частиц и космология. Значительная часть вновь предлагаемых теорий элементарных частиц, прежде всего, проходит проверку на космологическую полноценность, что приводит к возникновению важных ограничений на развиваемые теории элементарных частиц, в то же время космологические проблемы решаются в русле создания единой теории всех физических взаимодействий. Решение некоторых космологических проблем до недавнего времени представлялось очень сложным, и не ясно было, в каком направлении следует вести поиск. Тем более удивительным оказалось то обстоятельство, что большую часть указанных проблем, а также другие проблемы, давно стоявшие перед теорией горячей Вселенной, удалось решить в рамках одного сценария развития Вселенной, так называемого сценария раздувающейся (инфляционной) Вселенной. Согласно нему, Вселенная на самих ранних этапах своей эволюции находилась в неустойчивом вакуумноподобном состоянии, для которого характерно было состояние гравитационного отталкивания, что и предопределило последующее расширение Вселенной. На ранних стадиях Вселенная расширялась экспоненциально быстро (эта стадия потому и называется инфляционной). Затем происходил распад вакуумноподобного состояния, Вселенная разогревалась, и дальнейшая ее эволюция описывается стандартной теорией горячей Вселенной. За несколько лет своего существования сценарий раздувающейся Вселенной прошел путь от довольно фантастичной гипотезы до теории, которой в настоящее время придерживается большинство физиков.

В развитии космологии ХХ в. можно выделить три важнейших этапа. Первый этап начался в 20-х гг., когда А. А. Фридман на основе общей теории относительности Эйнштейна создал теорию однородной и изотропной расширяющейся Вселенной. До середины 60-х гг. было неясно, какой была Вселенная на ранних стадиях своей эволюции – горячей или холодной. Решающим моментом (второй этап) было открытие Пензиасом и Вильсоном реликтового излучения (1964 г.). Существование такого излучения было предсказано еще в 1948 г. Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели горячей расширяющейся Вселенной. После открытия реликтового излучения теория горячей Вселенной стала общепризнанной. Как отметил И. Д. Новиков, "…то, что вещество Вселенной было в прошлом сверхплотным и горячим, установлено надежно и пересмотру не подлежит, как и теория расширяющейся Вселенной”[2]. Тем не менее теория содержала в себе космологические проблемы, пути решения которых наметились сравнительно недавно в рамках инфляционного сценария расширяющейся Вселенной. Тем самым инфляционная модель знаменуют собой третий этап в развитии космологии. На этом исследуются космологические проблемы.

Проблема сингулярности. Из модели Фридмана вытекает существование в прошлом Вселенной особенной точки – сингулярности, согласно чему в момент времени t = 0 вся материи должна сосредотачиваться в очень малых масштабах с бесконечной плотностью. В 1970 г. Хокингом и Пенроузом[3] были доказаны теоремы, показывающие, что в рамках классической общей теории относительности существование сингулярного начала Вселенной неизбежно. При этом возникает вопрос, а что было до момента t = 0?

Проблема плоскостности. Следствием астрономических наблюдений является вывод о том, что галактики удаляются с относительными скоростями, прямо пропорциональными расстоянию, разделяющему галактики. Закон расширения Хаббла позволяет оценить критическую плотность Вселенной. Обсуждаемая проблема плоскостности состоит в том, что в планковский момент времени Вселенная имела плотность с фантастической точностью, равной критической (т.е. скорость отрыва галактики от некоторого центра в точности равна скорости галактики, задаваемой законом Хаббла). Если бы плотность была бы чуть больше критической, то к настоящему времени Вселенная давно сколлапсировала (это модель замкнутой Вселенной). Если бы плотность Вселенной в планковский момент времени была меньше, то современная плотность вещества во Вселенной была бы исчезающе малой и зарождение жизни во Вселенной было бы невозможным.

Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. Существуют надежные свидетельства (по регистрации фонового реликтового излучения) о том, что Вселенная в крупных масштабах, превосходящих размеры галактик, а именно порядка 1023 м, чрезвычайно однородна и изотропна.

Проблема мелкомасштабной неоднородности Вселенной. Уже в начале эволюции должны существовать значительные "затравочные” неоднородности плотности, чтобы впоследствии возникли галактики. При этом важно своевременное появление требуемых возмущений в надлежащем масштабе и с надлежащей плотностью, достаточной для образования галактик, но при этом не настолько большой, чтобы вызвать катастрофический гравитационный коллапс с образованием черных дыр. Причина возникновения таких неоднородностей до последнего времени не была объяснена.

Проблема горизонта. В простейшем случае размер горизонта Вселенной принимается равным ct, где c – скорость света, t – время существования Вселенной. Изучение реликтового излучения показывает, что Вселенная с большой точностью однородна и изотропна в масштабах, превышающих ct. Объяснение этого факта, учитывая, что причинно несвязанные области, превышающие размер горизонта, никак не могут воздействовать друг на друга, называют проблемой горизонта.

Проблема барионной асимметрии. Суть проблемы составляет вопрос, почему Вселенная состоит из вещества (барионов) и почти нет антивещества (антибарионов), хотя маловероятно, чтобы вещество и антивещество в ранней Вселенной могли бы быть изолированы друг от друга. Скорее, происходил процесс их взаимной аннигиляции. Значит, либо во Вселенной имелся изначально дисбаланс между веществом и антивеществом в сторону преобладания вещества, либо Вселенная эволюционировала из полностью симметричного по отношению к веществу и антивеществу состояния, но на некотором этапе процессы в ней шли с несохранением барионного числа, что и привело к выживанию барионов после аннигиляции. В 1967 г. А. Д. Сахаров связывает идею несохранения барионного числа с теорией горячей Вселенной. В современных теориях Великого объединения и в рамках инфляционной космологии идея Сахарова полностью сохраняет свое значение.

Проблема космологической постоянной. Космологическая постоянная должна была выражать собой некоторую космическую силу, противостоящую гравитационному притяжению, что и позволяло получить статическое решение для Вселенной с нулевым давлением. Рассматриваемая проблема состоит в том, что запросто отбросить космологический член из теории невозможно: "любой вклад в энергию вакуума действует в точности как космологическая постоянная”[4], поскольку оказывается пропорциональным плотности энергии вакуума. Характерно, что для вакуума, в отличие, к примеру, от вещества, нарушено одно условие, так называемый принцип энергодоминантности, согласно чему давление вакуума имеет знак, противоположный знаку плотности энергии. Возможны процессы и этапы в эволюции Вселенной приводили к нарушению принципа энергодоминантности для вакуума, что и приводило к космическому отталкиванию. В современной физике установлено существование области перестроенного пространства с поляризованным вакуумом – вакуумные конденсаты. Вклад в энергию вакуума должны давать вакуумные колебания всех взаимодействий. Вакуум рассматривается как резервуар энергии, из которого рождаются, приобретают массы и заряды элементарные частицы. Проблема энергии вакуума в теориях со спонтанным нарушением симметрии считается сейчас одной из основных проблем, стоящих перед физикой элементарных частиц”[5]. Теории со спонтанным нарушением симметрии вакуума привели к переформулированию проблемы, ибо вопрос ставится теперь не о том, что космологическая постоянная должна быть равна нулю, а о том, почему она стала равна нулю в настоящую эпоху эволюции Вселенной. Возникает вопрос о том, что вакуум нашей Вселенной и цепочка спонтанных нарушений симметрии его тоже весьма точно подогнаны для происхождения жизни и человека.

Проблема размерности пространства. Мы живем и ощущаем в пространстве-времени 4 измерений. Именно в пространстве с нечетной размерностью возможна жизнь, одним из необходимых условий которой является процесс передачи информации[6].

Все рассмотренные выше космологические проблемы концентрируются вокруг антропного принципа. Мы живем в однородной изотропной Вселенной, содержащей избыток вещества над антивеществом, с определенным типом вакуума и конкретной подходящей цепочкой спонтанного нарушения симметрии его, с соответствующей сигнатурой пространства-времени. Формулируя антропный принцип и пытаясь вписать его в науку, Картер высказал предположение о том, что мы живем в областях с определенными свойствами пространства-времени и материи не потому, что другие области невозможны, а потому что области обсуждаемого типа существуют, а в других областях, где жизнь нашего типа невозможна или маловероятна”[7]. Другими словами существует много разных вселенных и жизнь возникает там, где это ей удается. Причем до недавнего времени совершенно не ясным представлялось, в каком смысле можно говорить о разных вселенных, если наша Вселенная – это все, что существует.

Слабый антропный принцип ставит проблему исследования предпосылок возникновения Вселенной нашего типа с точки зрения существования в ней жизни. С методологической точки зрения это тот подход к проблеме, который декларируется принципом историзма в диалектике. Можно по данному поводу повторить известное высказывание Маркса о том, что "анатомия человека есть ключ к анатомии обезьяны”. Принцип историзма непременным условием ставит анализ явления и предпосылок его возникновения с позиции уже ставшей развитой органической целостности. Такой подход отличал отечественных ученых, занимающихся астрофизическими и космологическими проблемами, вследствие чего ими задолго до формулирования антропного принципа Картером высказывались идеи, лежащие в одном ключе со слабым антропным принципом[8]. Так, А. Л. Зельманов в 1965 г. писал: "В области космических, а тем более космологических масштабов самая возможность существования субъекта, изучающего Вселенную, определяется свойствами изучаемого объекта”[9]. Подобная точка зрения отличает и работы Г. М. Идлиса, Г. И. Наана, А.И. Шкловского[10] и др.

Сильный антропный принцип гласит, что Вселенная должна быть именно такой, чтобы в ней на определенном этапе появился человек, т.е. она эволюционирует в предустановленном направлении, к главной цели – появлению человека. Этот целеполагающий аспект и явился предметом для многосторонней критики сильного антропного принципа. В. В. Казютинский, указывая на экстравагантность сильной версии, отмечает: "Ссылка на человека в структуре космологического объяснения всегда казалась чем-то выходящим за границы принятых эталонов научности. Модальность долженствования отнюдь не свойственна научным принципам – в отличие, например, от этических, если, конечно, не прибегать к ухищрениям, ослабляющим и меняющим смысл выражения "Вселенная должна”. Определенное сходство между сильным антропным принципом и "аргументом от замысла” делало его еще более необычным, усиливая социокультурное значение этого принципа”[11]. Так что требование сильного антропного принципа, согласно которому Вселенная должна быть запрограммирована на появление человека, допускает теологическое объяснение, через трансцедентные силы. В таком подходе Вселенная представляется своеобразным «самовозбуждающимся контуром». Роль этого принципа заключается в физическом возрождении одной из вечных философских тем — взаимосвязи и взаимообусловленности человека и Вселенной, а также в новой постановке проблемы цели и смысла глобальной эволюции универсума.

Противопоставить такой аргументации можно лишь объяснение с точки зрения существования универсальных законов энергетической самоорганизации мира (включая идею спонтанности, хаотического раздувания и т.д.). Это находится в русле постнеклассической традиции, в которую вступила наука на пороге XXI в. в связи с развитием синергетики.