Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

Существенную роль для земных организмов играет уровень естественной радиоактивности у поверхности Земли, наличие в атмосфере слоя озона, задерживающего ультрафиолетовую радиацию Солнца, а также существование магнитного поля, создающего непреодолимый барьер для частиц высоких энергий, пронизывающих космической пространство. Немаловажное значение имеет и определенный ритм колебаний солнечной активности.

Наряду с этим существуют взаимосвязи и взаимозависимости и более высокого — космологического порядка.

Еще в пятидесятые годы советский космолог А. Л. Зельманов высказал интересное соображение: мы являемся непосредственными свидетелями природных процессов определенного типа, потому что процессы иного типа протекает без свидетелей.

Впоследствии американский ученый Б. Картер сформулировал тот же принцип в более парадоксальной форме. Он использовал знаменитое высказывание французского философа Декарта: «Я мыслю — значит, я существую». В интерпретации Картера оно звучит так: «Я мыслю, поэтому мир таков, каков он есть»[26].

Аналогичные идеи можно встретить и в работах других современных физиков и астрофизиков. Так, выдающийся современный физик, ученик А. Эйнштейна Д. Уилер в одной из своих книг подчеркнул, что существующего во Вселенной порядка вещей могло и не быть без человека, но поскольку есть человек, то Вселенная обладает именно теми свойствами, какими она обладает.

Другой известный ученый — английский астрофизик П. Девис в своей книге «Пространство и время в современной картине Вселенной» высказывает похожую мысль о том, что наличие жизни накладывает ограничения на свойства Вселенной — они должны быть в той или иной мере определенными.

Понимать это, разумеется, надо не так, что человек может силой мысли изменять свойства Вселенной, а так, что в иной Вселенной, обладающей иными свойствами, мы просто не могли бы ни появиться, ни существовать, ни мыслить. И такую Вселенную мы не могли бы ни наблюдать, ни изучать. Как справедливо заметил П. Девис, «…если бы все было не таким, каково оно есть, нас здесь просто бы не было и мы не могли бы выражать свое удивление»[27]).

Эти утверждения вошли в современную науку под названием «принципа Зельманова-Картера» или «антропного принципа».

Обычно вопрос ставился так: существует Вселенная с определенными свойствами, которые человек познает в процессе ее изучения? Как происходит эволюция этой Вселенной, как в ходе этой эволюции образуются сложные структуры и как возникают жизнь и человек? Именно в этом плане рассматривалась и возможность существования жизни в других регионах Вселенной и методов ее поиска. Таков, так сказать, классический подход к проблеме.

Антропный принцип — это, по существу, совершенно иная постановка вопроса о взаимосвязи фундаментальных свойств Вселенной с фактом существования жизни и человека.

Суть его состоит в следующем: Вселенная такая потому, что есть мы, разумные существа, «наблюдатели», способные задавать вопросы об ее свойствах.

Что же касается малой вероятности осуществления именно такого сочетания свойств, то мы не знаем, как много вариантов иных вселенных осуществилось до того, как реализовался наш вариант с благоприятными для возникновения жизни параметрами, или какое число вселенных, обладающих иными свойствами, существует в материальном мире наряду с нашей.

Таким образом, речь, идет о сложной взаимосвязи и взаимозависимости между свойствами Вселенной и порожденными ходом развития материи жизнью и разумом. Как мы уже знаем, все звездные острова — галактики — разлетаются таким образом, что взаимные расстояния между ними с течением времени увеличиваются. И хотя даже ближайшие галактики отделены от нас огромными расстояниями, характер их движения имеет первостепенное значение для существования жизни на Земле.

Дело в том, что удаление источника электромагнитного излучения порождает так называемый эффект Доплера — сдвиг излучения к красной части спектра в сторону более низких частот и более длинных волн. А чем ниже частота электромагнитного излучения, тем меньшую энергию оно с собой переносит.

Благодаря эффекту Доплера излучение взаимоудаляющихся галактик смещается в менее интенсивную часть спектра излучения. В итоге «средняя температура» Вселенной сказывается сравнительно небольшой, допускающее возможность существования биологической жизни.

А если бы галактики сближались? Тогда вместо красного смещения происходило бы фиолетовое — сдвиг излучения в сторону больших частот и более коротковолновых, жестких излучений. При этом условии все небо светилось бы так же ослепительно ярко, как светится диск Солнца, — на нас обрушивался бы испепеляющий поток излучения, приблизительно в 200 тысяч раз превосходящий по своей интенсивности солнечный свет. Плотность излучения была бы настолько велика, что в такой Вселенной жизнь не могла бы существовать, более того, не могли бы существовать даже планеты — они просто испарились бы!

Даже в том случае, если бы Вселенная просто не расширялась или темп расширения был менее значительным, то общая интенсивность фона излучения была бы столь велика, что в нашем мире не могло бы ничего появиться, ничего хотя бы отдаленным образом напоминающего белковую форму жизни.

Следовательно, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем именно красное смещение в спектрах галактик.

Разбегание галактик — это не только ослабление плотности излучения, делающее возможным существование биологической жизни. Расширяющаяся Вселенная — это Вселенная изменяющаяся: ее прошлое не тождественна настоящему, а настоящее — будущему. Если мысленно повернуть картину разбегания галактик вспять, то мы придем к выводу о том, что около 18 миллиардов лет назад не было ни звезд, ни галактик, ни планет, ни туманностей. Существовал только компактный сгусток сверхплотной горячей плазмы. Затем началось взрывное расширение этого сгустка, стали возникать неоднородности среды; их дальнейшая эволюция привела к формированию многообразного мира космических объектов, составляющих «население» современной Вселенной.

Но меняется не только Вселенная. Многие космические объекты также находятся в нестационарных состояниях. В сравнительно короткие по астрономическим масштабам промежутки времени они испытывают глубокие качественные превращения, качественные скачки, в этих объектах совершаются превращения материи, ее переходы из одного состояния в другое, сопровождающиеся выделением колоссальных количеств энергии и даже взрывными явлениями. К числу таких нестационарных объектов относятся, например, квазары и ядра некоторых галактик.

Таким образом, мы живем в нестационарной Вселенной, в которой на различных уровнях существования материи совершаются необратимые физические процессы. Осознание этого факта имеет существенное значение для всей нашей практической деятельности.

Так же тесно и весьма критическим образом свойства жизни на Земле связаны и со многими другими фундаментальными свойствами астрономического мира, в частности с конкретным ходом образования тяжелых элементов в процессе эволюции Вселенной. Выявляется грандиозная взаимозависимость между начальными условиями эволюции Вселенной и конкретными физическими предпосылками появления жизни. Становится ясно, что средой обитания жизни является не только поверхность нашей планеты, но и окружающий мир Солнечной систему, и Галактика с ее специфическими свойствами, и вся наша Вселенная.

Земная жизнь предстает закономерным результатом предшествующего развития материи не как локальное явление, а как глобальный итог множества различных причин и следствий, работающих во «вселенском» масштабе.

Наша Вселенная, ее фундаментальные свойства, в том числе структура, которой она обладает, начиная от элементарных частиц и вплоть до сверхскоплений галактик, самым тесным образом связаны и со значениями физических констант, а также формой действующих в ней физических закономерностей. Эти константы и закономерности обеспечили формирование в процессе эволюции нашей Вселенной таких условий, при которых возникает возможность образования сложных систем и сложных форм движения, а в конечном счете — жизни и человека.

Фундаментальные константы, определяющие свойства Вселенной, занимают среди огромного многообразия различных физических величин, которые входят в структуру основных физических теорий, совершенно особое место. К их числу относятся скорость света в пустоте (с), заряд (е) и масса (mе) электрона, так называемая постоянная Планка (G), гравитационная постоянная (G) и некоторые другие. Эти константы отражают наиболее глубокие, основополагающие свойства окружающего нас мира, и поэтому их не случайно называют иногда «константами Вселенной». Они неизменно фигурируют в основных уравнениях современной теоретической физики. Постоянная Планка tl=1,05·10-27 эрг·с = 1,05·10-33.Дж·с связывает между собой в квантовой теории энергию E и циклическую частоту фотона со известным соотношением Е=ђω.