Антропный космологический принцип

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ТГПУ) 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

По  дисциплине «Концепции современного естествознания»

На  тему: «Антропный космологический принцип» 
 
 

Выполнила студ. гр.81СО

Маслова Л.А. 
 

Проверил

Гурченок Алексей

Анатольевич 
 
 

ТОМСК -2011-

ВВЕДЕНИЕ

Космология  – наука, изучающая Вселенную  как единое целое, ее строение и эволюцию. Термин космология образован из греческих kosmos – мир, гармония logos – учение, слово. Теоретическим базисом космологии является физическая теория, а ее экспериментальные методы основаны на использовании астрономических наблюдений и специальных космических аппаратов

Антропный принцип – одно из базовых утверждений современной космологии, согласно которому имеет место удивительная приспособленность Вселенной к существованию в ней человека. Эта приспособленность выражается в наличии очень тонкой подгонки фундаментальных физических констант, при которой даже малые отклонения от их стандартных значений привели бы к такому изменению свойств Вселенной, при котором возникновение в ней человека было бы принципиально невозможно.

Уровень знаний, достигнутый за последние  десятилетия, качественно изменил  не только наши представления об окружающем мире, но и сам способ жизни человека. Однако, чем глубже мы познаем Природу, тем все отчетливее убеждаемся, насколько сложны ответы на, казалось бы, самые простые, но в то же время фундаментальные вопросы. Почему окружающий нас мир именно таков, каким мы его наблюдаем? Почему в нем существуют галактики, звезды, планеты? Случайно или закономерно появление человека? Есть ли другие миры, заселенные разумными существами? И хотя человечество продвинулось в изучении основных законов природы, оно также далеко от исчерпывающего ответа.

Попытаемся  показать один из возможных подходов к решению этих проблем, причем, далеко не бесспорный. В его основе лежат следующие соображения. Ядро современного естествознания - физика - наука, изучающая фундаментальные свойства природы. Предполагается, что должен существовать некий единый принцип, позволяющий однозначно и с необходимостью ответить на сформулированные выше вопросы. Но современная наука такой принцип еще не предложила. Поэтому попытка научно объяснить наблюдаемую структуру физического мира основывается не на фундаментальной физике, а на биологии, так как бесспорен факт - существование разумной жизни на Земле. Такой подход получил название антропного (или антропоцентрического) принципа.

  Человек во Вселенной

Вопрос  о назначении человека, его роли и месте в мире так или иначе затрагивался и решался в любой философской проблеме. Согласно христианским воззрениям, человек - образ и подобие Бога. Поэтому, в сущности, цель создания окружающего мира заключалась именно в сотворении обстановки для жизнедеятельности человека и удовлетворении его духовных и плотских потребностей. По этой причине геоцентрическая система Мира Аристотеля-Птолемея, поставившая Землю и человека в центр Вселенной, столь импонировала христианству. Развитая Коперником гелиоцентрическая система Мира стала началом цепи великих открытий, нанесших тщеславным амбициям человека невосполнимый урон. Астрономические наблюдения показали, что не только Земля, но и само Солнце занимает весьма скромное положение в нашей Галактике, находясь на расстоянии около 30 тыс. св. лет от ее центра. Галактика также оказалась обычной среди сотен миллиардов, похожих на нее. Более того, теперь известно, что Вселенная в больших масштабах однородна и изотропна, т. е. нет ни выделенных точек, ни избранных направлений. Отсюда следует вполне закономерный вывод о возможности существования разумной жизни в других уголках Вселенной. И все же, если место человека во Вселенной не выделено, вполне уместно предположить, что человек выделен как специфическая форма существования материи. Чтобы понять следствия из этого предположения, нужно четко представлять, что такое жизнь, и в особенности, разумная жизнь. Одно из наиболее общих определений, с нашей точки зрения, дано М. В. Волькенштейном: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, самоорганизующиеся и самовоспроизводящие системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот». Качественное отличие человека от всего живого - его способность мыслить. И хотя существуют различные определения разума, мы воспользуемся следующим: разум есть способность материи познавать саму себя, при этом имеется в виду познание фундаментальных законов природы, различных сущностей, скрытых за видимыми явлениями. Далее необходимо сформулировать еще два положения. Первое - носителем разума может быть только живая материя (об этом мы уже упоминали ранее) и второе - носителем может быть только высокоорганизованная материя (клетки коры головного мозга, имеют, пожалуй, самую сложную организацию в природе, причем они качественно отличаются от простейших живых клеток). Данные утверждения следует рассматривать как обобщения опытных фактов, известных современной науке, но с нашей точки зрения дальнейшее развитие знания вряд ли заставит отказаться от сформулированных принципов (по крайней мере от второго).

Прежде  всего остановимся на вопросе: какие условия необходимы для поддержания известных нам форм жизни? Это вода и пища. Немаловажное значение имеет и температура окружающей среды. Действительно, с одной стороны при 0 °С образующиеся кристаллики льда разрушают клетки и ткани, утрачиваются многие биологически важные свойства воды, с другой - уже при температурах свыше 42°-43 °С белки - основной материал человеческого организма - необратимо изменяют свою сложную структуру. Наконец, огромное значение имеет воздух. Содержащийся в нем кислород необходим для окислительно-восстановительных реакций внутри клеток. 

Условия существования жизни

Рассмотрим  более детально, что обеспечивает существование всех перечисленных  элементов. И тут сразу же ожидают  сюрпризы, которые от конкретных свойств  жизни и необходимых для этого  условий переводят к фундаментальным  проблемам строения Вселенной. Известно, что для нормальной жизнедеятельности  организма необходим огромный набор  химических элементов, начиная с  водорода и кончая металлами: железо, медь, молибден и др., причем хотя и требуется их незначительное количество, отсутствие или недостаток какого-либо одного из них приводит к тяжелым нарушениям жизнедеятельности организма, вплоть до его гибели. Но основными по распространенности во Вселенной являются водород и гелий, а все более тяжелые элементы образуются в результате реакций ядерного синтеза внутри звезд, и разбрасываются в окружающее пространство благодаря взрывам сверхновых, поэтому процент тяжелых элементов очень невелик.

Молекулярная  основа жизни (и разума) молекула ДНК  содержит углерода 29,8 %, водорода 37,5 %, кислорода 18,3 %, азота 11,3 %, фосфора 3,1 % (Н. Хоровиц. Поиски жизни в Солнечной системе. М: Мир, 1988). Следовательно, тяжелые элементы не только необходимы для поддержания жизни, но и лежат в ее основе). Химики и биологи давно установили, что земная жизнь определяется свойствами углерода. Оказывается, конкурентов ему практически нет. Почему? Можно выделить три основных момента. Во-первых, углерод самый распространенный из всех тяжелых химических элементов во Вселенной. Во-вторых, он способен формировать огромное число больших, сложных, но и что очень важно, стабильных молекул. Наконец, в-третьих, соединения углерода химически инертны, т. е. с трудом вступают в реакции. Эта инертность, обусловленная электронной структурой атомов, обеспечивает образование молекулярных систем чрезвычайно сложной структуры, но вместе с тем и очень стабильных. В силу этих особенностей углерод служит основным материалом генетических систем, а значит условием существования и воспроизведения жизни и разума. Пока неизвестны другие химические элементы, способные заменить углерод в качестве основы жизни. Вода также обладает рядом уникальных свойств, благодаря которым она может служить биологическим растворителем - естественной средой обитания живых клеток и организмов. К числу таких свойств относятся: высокая температура таяния (льда) и кипения, широкий диапазон температур, в пределах которого вода остается в жидком состоянии, большая диэлектрическая постоянная.

Итак, без  углерода не было бы сложноорганизованных молекул, лежащих в основе жизни, а без воды жизнь не смогла бы существовать. Это накладывает дальнейшие ограничения. Для того, чтобы вода существовала в жидком состоянии, необходимы строго определенные температурные границы, что достижимо только на планетах. Следовательно, мы приходим к другому условию, необходимому для жизни, - планетам. Но они, как известно, не самостоятельные образования, а входят в состав систем, связанных со звездами. А отсюда следуют уже ограничения и для звезд! Прежде всего Б. Картер отмечает, что возникновение планет возможно лишь у звезд, где есть конвекция в припо-верхностном слое. Кроме того, раз планеты - холодные тела, то возникающая на них жизнь должна получать необходимую энергию от ближайшей звезды, причем время существования звезды должно быть таково, чтобы она могла обеспечить необходимой энергией длительный процесс зарождения и развития жизни вплоть до разумной формы. Желательно, чтобы при этом звезда была стабильной, без резких изменений внешних условий, к которым очень чувствительны сложноорганизованные молекулы. Вероятнее всего, таким условиям могут удовлетворять только одиночные звезды.

Все эти  условия, в свою очередь, предъявляют  определенные требования ко Вселенной. Действительно, как минимум время ее существования должно быть таким, чтобы звезды возникли, обзавелись планетами, на них зародилась жизнь и эволюция ее привела к разумной форме (ну и, естественно, чтобы разумная жизнь тоже имела время, хотя бы для доказательства своей разумности). Таким образом мы видим, что факт существования разумной жизни накладывает весьма жесткие условия на структуру и строение Вселенной, в которой она существует. И оказывается, что эти ограничения намного более впечатляющи, нежели простое требование достаточного времени существования Вселенной. К этому вопросу мы и переходим. 

Фундаментальные физические величины

В физике существует ряд постоянных, которые, по современным данным, имеют одно и то же значение в любой точке  наблюдаемой Вселенной, поэтому  они получили название фундаментальных, или мировых, констант. Это название оправдано еще и тем, что их численные значения существенным образом  влияют на структуру и строение окружающего  мира. К таким постоянным относятся: постоянная всемирного тяготения, постоянная Планка, скорость света, масса протона, масса электрона, постоянная Хаббла (для нашей эпохи) и ряд др. Кстати, вопрос о полном наборе фундаментальных  постоянных ученые всего мира обсуждают уже более 20 лет, но до сих пор не достигли согласия. Оказалось, что числовые значения этих констант не могут быть любыми или иметь широкий разброс значений, а существование разумной жизни делает их выбор почти однозначным. Для доказательства этого утверждения обратимся к данным, которые приводит доктор физико-математических наук И. Д. Новиков в книге «Как взорвалась Вселенная».

Начнем  с микроструктуры. Известно, что  простейший и наиболее распространенный атом во Вселенной - водород. Он достаточно стабилен, если его не подвергать внешним  воздействиям. Но почему электрон не может  вступить в реакцию с протоном, т. е. почему не происходит реакция р+е - n+v, удовлетворяющая всем законам сохранения и действительно наблюдаемая на ускорителях. Оказывается, сумма масс покоя протона и электрона меньше, чем масса нейтрона. Значит, чтобы эта реакция произошла, атому водорода надо сообщить дополнительную энергию извне. Нейтрон массивнее протона на delta m=1,3 МэВ, а масса электрона всего m e=0,5 МэВ (мы используем здесь энергетические единицы, принятые в физике высоких энергий). Значит, атом водорода будет стабилен, если сумма масс протона и электрона будет меньше массы нейтрона. Если бы масса электрона была другая, то, как показывают расчеты, атом водорода не мог бы «прожить» более 30 ч., т. е. во Вселенной не существовало бы главного ядерного горючего для звезд, а значит не было бы и обычных звезд, необходимых для возникновения и развития жизни. Изменения массы протона (938,28 МэВ) или нейтрона (939,57 МэВ) хотя бы на одну тысячную также должно привести к описанным выше катастрофическим последствиям. Но это ограничение снизу. Рассмотрим теперь ограничение сверху. Изотоп водорода - дейтерий, точнее его ядро, дейтон, состоит из нейтрона и протона. Удельная энергия связи их равна 2,2 МэВ. Почему в этом ядре нейтрон не распадается по той же схеме, как и нестабильный свободный нейтрон. Дело в том, что при распаде нейтрона энергия движения образовавшихся частиц возникает за счет разности масс нейтрона и протона. Если предположить, что энергия нейтрино мала, да еще надо затратить энергию на образование электрона, то для кинетической энергии разлета частиц остается всего 0,8 МэВ. Чтобы вылететь из ядра, частицам надо еще преодолеть энергию связи 2,2 МэВ. Поэтому дейтон и стабилен. Но почему это так важно? Образование дейтерия - первый шаг в цепочке ядерных превращений, ведущих от водорода к более тяжелым элементам, которых не было в ранней Вселенной. Ныне эти реакции идут в недрах звезд. Без дейтерия стали бы невозможны все известные пути образования элементов тяжелее водорода, не возник бы углерод, а значит и известная нам форма жизни. Из факта существования разумной жизни следует неравенство 0,5 МэВ< delta m<2,7 МэВ. Согласитесь, удивительно узкий интервал по сравнению с космическими перепадами параметров.

Теперь  о постоянной сильного взаимодействия. Если бы она была несколько меньше, то сложные ядра были бы неустойчивы, а значит стали бы невозможными ни ядерные реакции в звездах, ни образование известных химических элементов. И как следствие - не возникла бы наша форма жизни. Обратимся теперь к макроструктуре. Из астрономии известно, что в звездах с массой порядка солнечной (и меньше) в верхних слоях существует конвективное перемешивание. В более массивных звездах этого нет. Анализ показывает: если бы значение постоянной тяготения О было больше, то звезды не имели бы конвективных слоев, а, следовательно, и планет, т. е. не возникла бы и жизнь. Расчеты показывают, что должно выполняться неравенство аg>а^12(m p / m e) - m p, m e массы протона и электрона где ag=(G*m p^2) / (h*c), (где G - гравитационная постоянная, h - постоянная планка, c - скорость света)- безразмерная величина, характеризующая гравитационное взаимодействие и названная постоянной «гравитационной тонкой структуры». Если бы гравитация (G) была чуть слабее, а электромагнетизм (е) чуть сильнее и электрон чуть массивнее, то все звезды были бы красными карликами. Наоборот, едва заметное отклонение в другую сторону - и все они были бы голубыми гигантами. Ни у тех, ни у других нет кон-вективных слоев со всеми вытекающими отсюда последствиями. Г. Гамов, П. Дирак, А. Эддингтон обратили внимание еще на одно числовое совпадение. Поделив время прохождения светом диаметра протона 10^ -24 секунды на гравитационную постоянную тонкой структуры аg , то получим: т=10^18 секунд или 30*10^9 лет. Этот промежуток времени, по порядку величины очень близкий к возрасту Вселенной. Простое это совпадение или здесь скрыт, как предполагал Дирак, еще не открытый фундаментальный физический принцип?