Неотдавнашното откритие на гравитационните вълни от Големия взрив, които родиха нашата Вселена, предизвика вълни в астрофизични и космологични кръгове. Някои с ентусиазъм приветстваха новото откритие, твърдейки, че най-накрая доказа реалността на инфлацията (това е името на бързото разширяване на Вселената, постулирано от теорията след Големия взрив).
Други призоваха за предпазливост, изтъквайки, че откритите вълни може да се дължат отчасти на фактори, различни от инфлацията. Някои обявиха, че тези резултати най-накрая погребаха почти всички алтернативни теории, изложени за обясняване на наблюдаваните свойства на Вселената, други предупредиха за прекомерна бързане, призовавайки първо да „докажат надеждно“несъответствието на възможните алтернативи. На този общ агитиран фон речта на един от водещите съвременни космолози Андрей Линде от Станфордския университет беше особено интересна.
Приветствайки новото откритие, той каза, че то не само „премахва 90 процента от всички други инфлационни модели от обсъждане“, но и „съвпада перфектно с теорията за хаотичната инфлация“, тоест теорията, която самият Линде разработва преди около 30 години. Не случайно думите на Линде предизвикаха специалния интерес на всички негови колеги. Факт е, че ако по-нататъшните тестове наистина потвърдят реалността на хаотичната инфлация, това ще означава, че космологията най-накрая е успяла да реши болезнен и основополагащ въпрос, на който не може да даде задоволителен отговор в продължение на много десетилетия.
Този въпрос, както сега ще видите, е основополагащ и за нас, обикновените любопитни хора, защото в най-примитивния си вид звучи така: защо изобщо съществуваме?
Нека ви обясня сега. Още в средата на миналия век се забеляза, че основните физични константи (например електронният заряд, гравитационната константа в закона на универсалната гравитация и редица други основни величини) са изключително точно настроени, за да се гарантира, че животът във Вселената може да съществува във вида, в който ние ние знаем.
Има множество други примери за такова фино приспособяване на законите на природата към нуждите на антропос, тоест на човек. Да кажем, че животът ни се основава на въглерод и въглеродът, както показа изследването на процесите на образуване на химични елементи, не би могъл да се появи във Вселената, ако енергийните нива в атомите са по-леки от въглерода, елементите се различават дори на милиарди от това, което е на наистина ли.
Друг пример, вече от геометрията на космоса: за възникването и развитието на живота са необходими планети, които се въртят около звездите си според закона на гравитацията. И общата теория на относителността показва, че в пространството на две измерения гравитацията би била твърде слаба, за да задържи планетите близо до звездите, а в пространството на четири или повече измерения изобщо не може да има гравитация.
За антропоса остава само онова пространство от три измерения, което виждаме около нас. И има много такива примери. Тези, които се интересуват, ще се позова на прекрасната книга на Бароу и Типплер „Космологичният антропичен принцип“
Промоционално видео:
Как си обясняваш подобен фин припадък? Още през 1973 г. известният астрофизик Брандън Картър, изказвайки се на конференцията в Краков в чест на 500-годишнината от рождението на Коперник, формулира възможен отговор на този въпрос. Този отговор се нарича "антропичен принцип". Той твърди, че противно на старото (коперниканско) схващане, че местоположението на Земята в Космоса не се различава от всички други възможни места във Вселената, всъщност Картър казва: „нейното положение, макар и не непременно да е централно, все още е някак специално. ".
Каква е тази функция? Фактът, че в цялата заобикаляща ни част от Вселената законите и константи на природата са точно това, което е необходимо за възникването на живота и антропосите като негова „корона“.
С други думи, ние се явихме на такова специално (от наша гледна точка) място във Вселената, където само ние бихме могли да се появим. Ако приемем, че във Вселената има много други кътчета, които ние не виждаме, тогава е напълно възможно законите и константите на природата да са различни там, животът и човекът не биха могли да се появят там и следователно никой не може да се чуди защо законите на природата са около него са такива, че изключват появата му.
Така отговорът на нашия основен въпрос се свежда до факта, че съществуваме, защото по някакво невероятно щастливо съвпадение в нашата част на Вселената са се развили точно такива закони и константи на природата, които се оказаха идеално приспособени към възможността за появата ни.
Тази формулировка на антропния принцип по-късно беше наречена слаба, защото е възможно да се направи по-силно твърдение, което се нарича силен антропичен принцип. Според този принцип няма други части или места във Вселената - всичко това и веднага възникна такова, че неговите закони и константи са еднакви навсякъде и навсякъде са прецизно приспособени към възможността за появата на живота и разума. Това звучи по-логично от твърдението за „различни места“на Вселената с „различни закони“(защо би изведнъж ?!). Но в тази форма антропният принцип силно прилича на истории за умишленото (божествено?) Създаване на цялата вселена в името на човека и затова повечето учени решително отказаха да я приемат. Независимо от това, фактът на фината форма беше очевиден и поиска да бъде обяснен. Линде беше един от малкото, които се опитаха сериозно,тоест с помощта на строги теоретични изчисления проверете: може ли наистина да има такива сценарии за раждането на Вселената, които биха обяснили това прилягане?
Нека ви припомня, че първоначалният сценарий на Големия взрив се роди почти веднага след като Айнщайн създаде общата теория на относителността, която свърза гравитацията със свойствата на пространството и времето. Айнщайн е вярвал, че Вселената винаги е в неподвижно състояние и гравитацията на всичките й тела един към друг се балансира от вид разрушаващо се поле (днес то се нарича поле на тъмната енергия).
Но няколко години по-късно Хъбъл откри, че Вселената всъщност се разширява (всички галактики се отдалечават една от друга) с определена малка, но забележима скорост, сякаш всички тези галактики някога са получили някакъв първоначален тласък и продължават да се движат по инерция (днес е известно, че полето на тъмната енергия дори ускорява това движение). Този първоначален импулс е кръстен Големият взрив (астрофизикът Хойл насмешливо го кръщава Големия взрив - „Голям клапборд“).
Теорията за Големия взрив много добре описва раждането и развитието на Вселената. Тя твърди, че Вселената възниква като бучка изключително гореща и плътна плазма, която постепенно се разширява (заедно с нейното пространство) и постепенно се охлажда.
Първоначално неговата материя не можеше да бъде разделена на материя и енергия, но докато изстине, започнаха да се появяват силови (енергийни) полета (отделно една от друга) - ядрени, слаби, електромагнитни и заедно с тях започнаха да се появяват съответните частици - кварки, електрони, неутрино и пр. И накрая (теорията сочи, че около 380 хиляди години след експлозията) Вселената се е охладила толкова много, че квантът енергия не е нарушил новородените атоми, а след това веществото е изпаднало от общата плазма.
Между атомите остана празнота (вакуум), която беше запълнена с електромагнитно излъчване с огромна интензивност. Атомите започват да се слепват в бучки от материя (в крайна сметка образувайки първите звезди и галактики) и остатъчната радиация продължава да се охлажда, тоест от много къси дължини на вълната, за да стават все по-дълги вълни (както поради загуба на енергия при сблъскване с материя, така и в резултат на разтягане на вълни от за продължаване на разширяването на пространството) и до този момент той се е охладил до 3 градуса Келвин (дължината на вълната му е вече няколко милиметра). Тя се нарича остатъчна или реликтова космическа радиация.
Тази стройна и впечатляваща картина бе блестящо потвърдена, когато Пензиас и Уилсън откриха точно такава радиация с температура 2,7 Келвин и достигнаха до Земята от всички страни на небето, тоест запълвайки цялата Вселена. Но заедно с потвърждението възникна и друг въпрос, защото се оказа, че това излъчване е равномерно, тоест има еднаква температура във всички посоки, тоест в цялата Вселена. Как може да бъде? Теорията казва, че Големият взрив се е случил преди 13,7 милиарда години. Това означава, че реликтовото излъчване се е формирало преди около 13,3 милиарда години.
Най-отдалечените точки, от които тази светлина може да дойде на Земята днес, може да са на разстояние 13,3 светлинни години, което означава, че разстоянието между две такива точки от противоположните страни на небето е 26,6 милиарда светлинни години. Никаква енергия не може да се премести от една такава точка в друга, защото за това ще трябва да се движи с двойно по-голяма скорост от светлината, което е невъзможно. Междувременно измерванията на Пензиас и Уилсън показаха, че тези две точки излъчват остатъчна радиация със същата температура, което означава, че са в състояние на термично равновесие.
Тази странност е наречена проблем на хоризонта (защото и двете горепосочени точки са на ръба или на хоризонта на днешната Вселена). В опит да реши този проблем, през 1981 г. Алън Гут изложи идеята за инфлацията (инфлацията се превежда и като "инфлация", "подуване"), според която първоначалният плазмен съсирек в резултат на Големия взрив е малък и следователно всички негови части могат обменяйки енергия, стигайте до същата температура.
И тогава, в чудовищно кратко време (от 10 до минус 35-та мощност на секунда), имаше кратка, но чудовищно бърза инфлация на пространството на Вселената, която се увеличи до сегашния си очевиден размер (10 до 23-та сила на км). Не си струва да се опитвате да визуализирате тези числа. Скоростта на тази инфлация невъобразимо надвишава скоростта на светлината (което обаче не нарушава принципа на границата на скоростта на светлината, тъй като не се предава сигнал през космоса, а самото разширяване на пространството).
И разбира се, през това време всички части на Вселената не можеха да променят своето състояние и затова останаха навсякъде в състояние на топлинно равновесие помежду си.
Инфлационната теория на Гут реши повече от проблема с хоризонта. В същото време тя обясни защо наблюдаваната вселена ни се струва средно (тоест на много големи разстояния) практически хомогенна и плоска (тоест такава, в която са изпълнени законите на евклидовата геометрия, а не, да речем, законите на сферичната геометрия на Риман или хиперболичната геометрия на Лобачевски).
Грубо казано, инфлацията „разточи“навития „килим“на универсалното пространство, премахвайки най-малките отклонения от равнината и го направи Евклидов, а самата Вселена - хомогенна.
(За да бъдем строги, в името на нашето време, откриването на тъмната материя, която във Вселената е няколко пъти повече от обикновено, повдигна проблема за плоскостта и еднообразието за учените отново, тъй като се оказа, че тъмната материя се разпределя в пространството по различен начин от обичайното, видимото. породи нови, по-сложни инфлационни теории, но те нямат нищо общо с историята на антропния принцип в космологията.)
Каква беше първопричината за Големия взрив и последващата инфлация? Според Гут всичко започнало от квантовите колебания на вакуума. Грубо казано, в квантовата физика вакуумът не е празнота, а специално състояние на определено поле, в което могат да възникнат колебания на енергията. Една такава вибрация за кратко време увеличава енергията на полето и тогава възниква нестабилно състояние, наречено фалшив вакуум.
Такова състояние се разпада изключително бързо, тоест се връща към нормалното, но при определени условия парче пространство, в което възниква фалшив вакуум и след това се разпада, може да използва енергията, която внезапно се появи в него за неистовото му разрастване, с други думи, за инфлация. Според Гут, именно такъв процес е породил вселената, която наблюдаваме, и тя се е провела в такава микроскопична и следователно хомогенна и равновесна област, че вселената, възникнала от нея, също се оказа, както вече казахме, хомогенна и равновесна.
Нещо повече, оригиналният сайт беше толкова малък, че законите на физиката в него бяха еднакви навсякъде - така че в моментално надутата вселена те останаха еднакви навсякъде. А фактът, че в същото време те се оказаха благоприятни за възникването на живота и разума, вече е чисто съвпадение. Отговорът по същество повтаря силен антропичен принцип, давайки му строга научна основа.
Този извод беше неприемлив за Линде и той се опита да обобщи теорията на Гут. Той отхвърли предположението си за микроскопичност и следователно хомогенността на първоначалната зона, където се появи фалшивият вакуум, и проучи (теоретично, разбира се) какво ще се случи, ако вземем предвид достатъчно голяма площ от пространство, която със сигурност не може да бъде нито хомогенна, нито енергийно равновесна.
Изчисленията го доведоха до необичайно интересни резултати. Оказа се, че в този случай квантовите колебания на фалшивия вакуум могат да се появят на различни места от тази област в различно време и с различна интензивност. Поради това някои места ще набъбнат с инфлационна скорост, докато други или няма да се разширят изобщо, или ще спрат да се разрастват рано. Няма да възникне нито една вселена, както в теорията на Гут, а цял куп вселени, всяка една толкова голяма, колкото единствената Гута.
И тъй като този струпване на вселени (подобно на Вселената, Линде го нарече мултивселен, тоест нещо като „мултиверс“) се е родило от хаотично състояние на вакуум и в хаотично разстройство, то само по себе си ще бъде хаотично, тоест е невъзможно да се посочи нито една единица моментът на раждане, във всяко негово отделение (във всяка отделна вселена) със сигурност ще има свои собствени закони за пространството, времето и природата в стриктно съответствие със слабия антропичен принцип.
Новата теория се нарича хаотична инфлация. Развивайки го, Линде в своята работа от 1986 г. показа, че в бързо разрастващите се отделения на мултивселената трябва да възникнат собствени квантови колебания на вакуума и други полета, което би трябвало да доведе до непрекъсната и безкрайна инфлация на такива места в тези отделения, така че мултивселената трябва да се повтори безкрайно.
Този процес няма начало и край и затова Линде нарече този нов грандиозен сценарий теорията за вечната хаотична инфлация. Тази безкрайна инфлация също ще бъде хаотична в смисъл, че всички нови отделения, възникващи в различни отделения (те също са вселени) (те са нови и нови вселени), по принцип трябва да имат различни геометрии (включително различен брой измерения на пространството), различни свойства време и различни видове частици и полета.
Така че е възможно много от тях да имат, да речем, шест пространствени измерения или да не съдържат частици от материята и т.н., и така нататък. (Разбира се, твърде вероятно е също така много от тях - а броят им да е безкраен - да са напълно подходящи за възникването на живота и разума, въпреки че всеки по свое време, а не непременно съвпада с останалите.)
И сега Линде твърди (и Гут вече изрази съгласието си с него), че новите данни за гравитационните вълни най-добре съвпадат с прогнозите на тази негова теория.
Както казах, ако думите му най-накрая се потвърдят, науката най-накрая ще получи отговор защо изобщо съществуваме. Защото в безкрайния и вечен процес на хаотичния облик на все повече и повече нови вселени с все повече нови закони и константи, някой ден (и повече от веднъж) трябва да се е появил такъв, където възникването на живота и разума стана възможно. Това ще бъде огромна научна победа, но, разбира се, само в рамките на физиката и космологията. За пълен отговор на въпроса защо изобщо съществуваме изисква, разбира се, и биологично обяснение как животът може да възникне от "мъртвата" материя и да се развие преди появата на разума.
Биологията все още не може да обясни еднозначно възникването на живота. Тя веднага се сблъсква с проблема "пиле и яйца" тук. Протеините са необходими за възпроизвеждането на първата ДНК, а ДНК е необходима за производството на първите протеини.
Те се опитват да заобиколят тази трудност, като постулират, че първи се появяват специални молекули, РНК, които са в състояние да катализират собственото си възпроизвеждане. Тази катализа доведе до появата на цял свят от различни РНК, от които естественият подбор започна да подбира материал за по-нататъшно усложняване. Но съществуването на такава автокатализа все още не е напълно доказано и най-важното - не е ясно защо подборът на всички най-добри РНК трябва да доведе до появата на протеини (или ДНК). Съвременната биология също изпитва затруднения в обяснението на по-нататъшното развитие на живота.
Тя обяснява този процес с теорията на Дарвин, в която еволюцията се представя като бавен, постепенен и непрекъснат процес на натрупване и селекция на случайни малки промени (мутации) в гените, който след това намира израз в еднакво малки промени в организмите като цяло. По този начин, теорията твърди, че от първата жива клетка започват да се развиват различни видове клетки, които растат като клони на дърво, след това се разделят на още по-многобройни видове организми и така нататък до човека, който коронясва това „дърво на живота“.
През последните десетилетия обаче се натрупаха много нови факти, което показва, че в действителност този процес не е бил непрекъснат. По-скоро това беше периодична еволюция, при която кратки периоди на бързата поява на нови организми в почти завършен вид бяха заменени от дълги периоди на по-нататъшната им фина настройка и по-фина фрагментация на подвидове (Елдридж и Гулд наричаха този процес пунктирана еволюция).
Много автори вече са се опитали да направят тези корекции в теорията на Дарвин, но съвсем наскоро се появи първата обобщаваща и много радикална хипотеза, която „коригира“Дарвин с помощта на Линде!
Тази хипотеза принадлежи на изключителния модерен биолог Евгений Кунин от Националния институт по здравеопазване в Бетесда (САЩ). Той беше напълно описан от него в скорошната му книга „Логиката на случайността“, а преди това - в две статии с много забележителни, както сега ще видите, заглавия: „Космологичният модел на вечната инфлация и прехода от случайността към еволюцията в историята на живота“и „Моделът на биологичното голямо експлозия за основните преходни моменти на еволюцията”. В първата статия Кунин казва нещо подобно: „Моделът на вечната инфлация, за разлика от традиционния космологичен модел на една единствена, уникална вселена, предполага, че всички възможни набори от първоначални физически условия могат да възникнат на случаен принцип и да се повторят безброй пъти в различни отделения на мултивселената.
Този модел следователно също така сочи възможността за безкраен брой от най-сложните системи да се появяват на случаен принцип в различни такива отделения, дори ако вероятността за всяко отделно възникване на такава сложност във всяко отделно отделение е изключително малка. Животът на Земята не е изключение от това правило. Ние съществуваме, защото в нашето отделение на мултивселената случайно се появи наведнъж целият набор от молекули, които осигуряват както възпроизвеждането на ДНК, така и изграждането на протеини. Теорията за вечната инфлация казва, че в един вечен и безкрайно самоумножаващ се мултиверс, появата на подобна злополука (като всяка друга) е била необходима, така че Дарвиновата еволюция не изисква никакъв свят на РНК и по същество е неизбежна последица от антропния принцип.
Във втората статия Кунин пише: „На всички основни етапи на биологичната еволюция се повтаря един и същ сценарий на внезапната поява на различни живи форми от ново ниво на сложност. Такъв беше случаят с появата на първите живи молекули (РНК и протеини), най-важните групи вируси, два класа протозои (археи и бактерии), основателите на суперсемейството еукарити (клетки с ядро) и всички семейства на животни. Човек може да си помисли, че всички тези точки са места на преход от една, експлозивна, фаза на еволюционното развитие към друга, постепенна. Първата, инфлационна, фаза много бързо генерира огромно разнообразие от нови възможности за обмен на генетична информация (хоризонтален трансфер на гени, рекомбинация, сливане, деление и др.), Докато във втората фаза новите форми на живот, възникнали по този начин, започват да се развиват и разклоняват. Този процес прилича на раждането на нова вселена в теорията за вечната хаотична инфлация, където в резултат на бързото разширяване (обикновено наричан Големия взрив) се ражда ново отделение на мултивселената, което по-нататък започва да се развива според вътрешните си закони. Затова нарекох фазовите преходи, описани по-горе в историята на живота, „Биологични големи брегове“.
И двете статии продължават с подробен анализ и доказателство за изложените в тях хипотези, но преразказването им изисква отделна история и можем само да се надяваме, че съдбата ще ни позволи да се върнем към това. Засега ще кажа само: главозамайващите идеи на съвременната наука разкриват бездънни дълбочини, а природата, очевидно, не напразно се опитва толкова много, създавайки този инструмент на своето самопознание.
Рафаел Нуделман
