Случайная Вселенная.

Разнообразие и сложность физических систем, из которых состоит наблюдаемая Вселенная, столь поразительны, что задача открытия простых законов, способных описать все эти системы, кажется безнадёжной.

Если бы природа выбрала иную последовательность чисел в фундаментальных постоянных, мир был бы другим.

Такие важные структурные единицы как звёзды типа Солнца своими свойствами обязаны маловероятным совпадениям чисел, которые построены на фундаментальных постоянных, относящимся к разным разделам физики.

Начальные параметры ранней Вселенной были согласованы с поразительной точностью. При совсем незначительном изменении начальных параметров Вселенная не смогла бы стать такой, какой мы её наблюдаем. Вещество структурировалось бы совсем другим способом.

В 1930-х годах Эддингтон и Дирак были поражены любопытным и неожиданным совпадением некоторых очень больших чисел, рассчитанных исходя из атомной физики и космологии. Создаётся впечатление, что Вселенная приведена какими-то способами в равновесие.

Вселенная устроена иерархически и состоит из многих структурных единиц, от атомов до скоплений галактик. Ничто во Вселенной не находится в покое. Везде присутствует противоборство сил. Сила гравитации стремится объединить рассеянное вещество. В веществе происходит противоборство между силой гравитации и другими силами. Гравитация одержала верх в таких малых объектах, как звёзды и планеты. Плотность вещества в них в 10³⁰ раз выше, чем во Вселенной. Более крупные системы - галактики и их скопления - избежали гравитационного коллапса, потому что вращаются и движутся друг относительно друга. Гравитационному коллапсу противостоят центробежные силы. Падению скоплений галактик друг на друга мешает непрерывное расширение Вселенной в целом, так что каждое скопление постоянно удаляется от своих соседей.

Скорость удаления двух типичных галактик, находящихся на определённом расстоянии друг от друга характеризуется постоянной Хаббла.

Например, две галактики, расстояние между которыми 1 Мпс удаляются друг от друга со скоростью 50 км/с.

Расмерность H - скорость, делённая на расстояние, обратна размерности времени. Следовательно величина, обратная H даёт фундаментальную единицу времени, определяющую изменение космологических параметров. Величина H^-1 приблизительно равна 10¹⁰ лет. Из этого следует, что это время назад крупномасштабная структура Вселенной должна была сильно отличаться от современной, а галактики располагались значительно ближе друг к другу. Скорость космологического расширения постепенно замедляется. Значит ранее она была значительно выше, чем теперь.

Приблизительно 15 млрд лет назад Вселенная имела бесконечно большую плотность и расширялась бесконечно быстро.

Время Хаббла с точность до множителя 3/2 равно возрасту Вселенной. Значит постоянная Хаббла не является постоянной.

Чем менее был объём Вселенной, тем быстрее она расширялась, тем выше была скорость разбегания вещества.

Плотность энергии вещества Вселенной определяет полную силу гравитации Вселенной. При высокой плотности замедление расширения идёт более быстрыми темпами. Если же плотность r больше критической r_cr, то со временем расширение прекратится и сменится сжатием, ведущим к катастрофическому коллапсу. Если r значительно превышает r_cr, то это обращение протекает быстрее. Если же плотность энергии очень низка, то сила гравитации Вселенной мала и расширение протекает беспрепятственно. Чем ниже плотность энергии, тем быстрее в ходе расширения происходит разрежение вещества.

Если r очень близко к r_cr, то Вселенная либо когда-нибудь сколлапсирует, либо будет вечно расширяться.

Чтобы Вселенная приобрела современную структуру при данной плотности вещества, её расширение должно происходить с вполне определённой скоростью. Если эта скорость мала, то Вселенная после короткой стадии расширения начнёт сжиматься и сколлапсирует. С другой стороны, в случае слишком быстрого начального расширения сгустки вещества разлетались бы друг от друга с большой скоростью и вскоре стали бы изолированными и не способными группироваться в галактики. В действительности начальное расширение происходило как раз с такой скоростью, что в результате возникла ситуация, лежащая между описанными альтернативами.

Антропный принцип.

Обычно в физике наблюдатель не принимается во внимание. Анализ свойств наблюдаемой Вселенной привёл к выявлению взаимосвязи между существованием наблюдателя и конкретных физических законов.

В существующем мире очень много совпадений и случайных соотношений, без которых невозможно было бы существование Вселенной в наблюдаемом виде. При малом изменении свойств элементарных частиц во Вселенной или никогда бы не образовались звёзды и галактики, или образовались бы сразу сверхмассивные тела, которые начали бы катастрофически коллапсировать.

При нарушении некоторых резонансных соотношений в ядерных реакциях было бы невозможно создание углерода в недрах звёзд или при создании, он сразу бы выгорал в кислород. И в первом и во втором случае не смогла бы развиться углеродная жизнь.

Ф.Хойл пишет, что “Если бы вы хотели образовать углерод и кислород примерно в равных количествах в ходе звёздного нуклеосинтеза, то должны были бы задать два уровня резонансов, причём именно там, где эти уровни и найдены... Здравая интерпретация фактов даёт возможность предположить, что в физике, а также в химии и биологии экспериментировал “сверхинтеллект” и что в природе нет слепых сил, заслуживающих внимания”.

Эти и другие факты привели учёных к созданию антропного принципа.

Слабый антропный принцип: “То, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя” Б.Картер.

Сильный антропный принцип: “Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции мог существовать наблюдатель”.

Этот принцип утверждает, что Вселенная приспособлена для существования жизни и как законы физики, так и начальные условия развития подстраиваются таким образом, чтобы гарантировать появление и эволюцию жизни. Этот принцип совпадает с религиозным мировоззрением, что Бог сотворил мир для человека.

Принцип поставил на научную основу вопрос: почему наш мир устроен таким, каким мы его наблюдаем?

Принцип целесообразности: “Законы физики не только достаточны, но и необходимы для создания и длительного существования основных связанных и устойчивых состояний: атомных ядер, атомов, звёзд и галактик” .

Незначительное изменение численного значения фундаментальных постоянных приводит к радикальному изменению физической структуры Метагалактики. Такая подстройка численного значения фундаментальных постоянных к сложной структуре Метагалактики приводит к необходимости допустить существование многих мини-вселенных с разным набором фундаментальных констант.

28 Наблюдения и практические работы по астрономии в школе.