Да, жизнь существует в нашей Вселенной. Нет, это утверждение не равно науке.
Представьте, что вы столкнулись с природным явлением, которое хотите лучше понять, но у вас нет для этого инструментов. Возможно, вам интересно, почему фундаментальные константы имеют именно такие значения, или сколько лет Земле, или существуют ли неизведанные состояния материи. При нормальных обстоятельствах вы бы вели свои исследования с научной точки зрения: производя измерения и наблюдения, которые задают Вселенной вопросы о самой себе. Вы собирали данные, получали результаты и делали выводы на основе того, что нашли.
Но иногда вы не знаете, как проводить эксперименты или собирать необходимые данные. Иногда вы можете прибегнуть только к самому основному предположению: как бы Вселенная ни себя вела, она вела себя таким образом, что позволила ей породить таких разумных наблюдателей, как мы. Эта линия мышления известна как антропный принцип. Хотя это может служить полезной отправной точкой, это не заменит фактическую науку.
Никто не сомневается в том, что Вселенная существует, что она подчиняется фундаментальным законам, и что мы как и все остальное в этой Вселенной также подчиняемся тем же самым правилам. Мы возникли естественным образом, и поэтому Вселенная должна обладать свойствами, которые, по крайней мере, делают возможным, если не обязательным, появление таких разумных живых наблюдателей, как мы.
Вряд ли это спорное утверждение, поскольку оно просто утверждает, что Вселенная ведет себя так, как это согласуется с нашим собственным наблюдаемым поведением. То, что мы называем антропным принципом, - это просто более совершенная версия Декарта: я существую в этой Вселенной, и, следовательно, Вселенная существует таким образом, который согласуется с моим существованием в ней.
Тем не менее, некоторые из лучших ученых мира начали использовать антропный принцип вместо научного исследования. Для научного сообщества, идущего по этому пути, это один из самых опасных возможных путей. Вы сильно рискуете: обмануть себя, думая, что открыли что-то значимое, когда все, что вы сделали, - это наложили ограничения на свои собственные (не обязательно хорошие) предположения.
Мы предполагаем, что умеем определять, какие свойства несовместимы с разумной жизнью. Мы предполагаем, что хорошо умеем указывать, какие виды Вселенной не могут допустить нашего существования или существования какого-то наблюдателя вроде нас. И мы предполагаем, что философские выводы, которые мы сделали бы на основе нашего опыта и экстраполяций, имеют значение для ограничения того, как устроена Вселенная. В этом суть антропного принципа, и он может быть не таким правильным, как мы обычно принимаем.
Антропный принцип возник в 1973 году, когда физик Брэндон Картер сделал следующие два утверждения.
- Мы должны быть готовы принять во внимание тот факт, что наше положение во Вселенной обязательно является привилегированным в той мере, в какой оно совместимо с нашим существованием в качестве наблюдателей.
- Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы допускать создание в ней наблюдателей на каком-то этапе.
Первое утверждение теперь известно как Слабый антропный принцип, который просто утверждает, что Вселенная должна быть такой, чтобы мы могли появиться в ней. Второе, более спорное утверждение называется Сильный антропный принцип, который гласит, что если бы никто не возник во Вселенной, мы бы никогда не занимались ее исследованием.
Просто отметив, что мы существуем в этой Вселенной, и что Вселенная имеет фундаментальные параметры, константы и законы, достаточно, чтобы сделать выводы о том, какой Вселенная могла и не могла быть.
Если вы правильно применяете антропный принцип, он может привести вас к блестящим научным достижениям. На заре 20-го века теория эволюции Чарльза Дарвина предполагала, что растениям и животным потребуются по крайней мере сотни миллионов лет, чтобы достичь того разнообразия, которое они демонстрируют в настоящее время, в то время как геология предполагала, что самой Земле было по крайней мере миллиарды лет..
Однако с этим была проблема: Солнце. Чтобы снабжать Землю энергией в течение всего этого времени, Солнцу нужно было непрерывно вырабатывать мощность, близкую к его текущей мощности - 4 × 10²⁶ ватт - . Но даже при всей массе Солнца это было проблемой для физики. Не кто иной, как лорд Кельвин, попытался рассчитать, как долго Солнце могло бы жить, если бы ему нужно было постоянно излучать эту энергию, и столкнулся с загадкой, которая, можно утверждать, возникла на антропных основаниях.
Солнце состоит в основном из водорода, и Кельвин представил три возможных сценария того, как Солнце могло генерировать всю эту энергию:
- Солнце сжигает какой-то вид топлива, например водород, путем химического сгорания. Это привело бы к продолжительности жизни всего в несколько десятков миллионов лет: недостаточно для того, что требуют биология и геология.
- Солнце может постоянно поглощать источник топлива, такой как кометы или астероиды, которые оно сжигает как источник энергии. Однако, даже если бы он поглотил и использовал все известные нам кометы и астероиды, это продлило бы его жизнь только на десятки тысяч лет, опять-таки недостаточное количество.
- Солнце может гравитационно сжиматься, преобразовывая гравитационную энергию в свет/тепло и питая Землю (и Солнечную систему) с помощью этого метода. Это привело бы к жизни в сотни миллионов лет, но не более.
Это не могло быть согласовано с физикой и геологией того времени, но появление нового механизма - науки о ядерном синтезе - привело к решению, которое удовлетворило всех.
Аналогичным образом в 1950-х годах люди искали детальное понимание того, как были созданы более тяжелые элементы в периодической таблице. В то время как процесс ядерного синтеза мог легко превратить водород в гелий, синтез гелия в более тяжелые элементы оказался проблематичным. Сложение двух ядер гелия вместе создает нестабильный изотоп бериллия, но он снова распадается на два ядра гелия всего за ~10^-16 секунд.
Получение третьего ядра гелия до того, как оно распадется, может быть возможно в горячих и плотных условиях, характерных для центров звезд, но скорость реакции будет совершенно неправильной. В физике проще заставить реакцию происходить при нужной энергии, а поскольку энергия и масса взаимозаменяемы (согласно эйнштейновскому E=mc²), ученые могли видеть, что ядра углерода слишком легкие, чтобы быть ответственными за синтез гелия.
Тем не менее, согласно антропному принципу, мы являемся наблюдателями, которые существуют в нашей Вселенной, и мы сами сделаны из углерода. Ясно, что Вселенная должна была каким-то образом произвести этот углерод, и синтез гелия - самый разумный способ. Единственная проблема заключается в том, что энергия ядра углерода не обладает нужными свойствами.
Гениальный ученый Фред Хойл предсказал, что возбужденное состояние ядра углерода-12 должно существовать при определенной энергии, чтобы три ядра гелия-4 могли эффективно сливаться в углерод внутри звезд. Открытие теоретического состояния Хойла и механизма его формирования - «тройного альфа-процесса» - искал и нашел физик-ядерщик Уилли Фаулер. С помощью антропных рассуждений мы обнаружили, как тяжелые элементы во Вселенной были созданы в звездах.
Таким образом, вы можете подумать, что эти примеры показывают, насколько научным является антропный принцип. Хотя они представляют собой хорошее применение антропного рассуждения, это скорее демонстрация истинной силы антропного принципа: показать, что решение возможно в ряде заданных обстоятельств.
Действительное решение требует применения традиционных инструментов науки. В 1980-х никто не знал, что такое нулевая энергия пустого пространства; мы никогда не измеряли ничего, что могло бы указать на его ценность. Однако тот факт, что Вселенная не коллапсировала и не расширялась слишком быстро, чтобы предотвратить образование звезд и галактик, позволила нам установить для нее предел: примерно на 10^-118 слабее, чем наивный расчет, полагающийся на планковскую массу как на детерминанту. вводится энергетическая шкала. Предсказание Стивена Вайнберга, датированное 1987 годом, стало важной вехой в применении антропного принципа.
Когда мы обнаружили темную энергию в 1998 году, мы впервые измерили это число и пришли к выводу, что оно в 10^-120 раз превышает наивное предсказание. Антропный принцип смог указать нам путь туда, где наша вычислительная мощь потерпела неудачу, но это его предел. Он может сказать нам, где находятся пределы того, что возможно для нашей Вселенной, и царит в нашем ничем не сдерживаемом воображении, но не может ответить на наши важные вопросы. Для этого нам нужна настоящая наука.
К сожалению, антропный принцип был грубо неправильно истолкован и часто неправильно применялся. Сегодня в научной литературе распространены утверждения о том, что антропный принцип:
- поддерживает мультивселенную,
- свидетельствует о строковом ландшафте,
- требует, чтобы у нас был большой газовый гигант, чтобы защитить нас от астероидов,
- и объясняет, почему мы находимся на таком расстоянии от галактического центра.
Другими словами, люди утверждают, что Вселенная должна быть именно такой, какая она есть, потому что мы существуем так, как мы существуем в этой Вселенной, которая существует с ее нынешними наблюдаемыми свойствами.
Но антропный принцип работает не так! На самом деле Вселенная позволила наблюдателям появиться на свет, но есть много других вариантов того, как наблюдатели могли возникнуть, кроме того пути, который породил нас.
Мы можем заявить, что воображаемая Вселенная, где законы физики делают существование наблюдателей невозможным, может быть исключена как представляющая нашу реальность. Это прекрасное заявление. Но вы не можете утверждать, что Вселенная должна была развернуться именно так, как она это сделала. Вы не можете требовать, чтобы Вселенная определяла наше существование. И вы не можете требовать, чтобы Вселенная была вынуждена породить нас именно такими, какие мы есть.
Потому что Вселенная не такая, какая она есть, потому что мы здесь. Эта линия рассуждений является злейшим врагом антропного принципа: простая логическая ошибка.
Не может быть никаких сомнений в том, что Вселенная управляется законами, константами и начальными условиями, которые ее породили. Эта же Вселенная затем, в свою очередь, породила нас. Но это не означает, что Вселенная должна обладать точно такими же свойствами, чтобы допустить наше существование, и не означает, что Вселенная, отличающаяся каким-то фундаментальным образом, была бы невозможна для наблюдателей. Самое главное, мы не можем использовать антропный принцип, чтобы понять, почему Вселенная такая, какой мы ее видим, а не какая-либо другая.
Антропный принцип может быть замечательной отправной точкой, позволяющей нам накладывать ограничения на свойства Вселенной в силу факта нашего существования, но сам по себе он не является научным решением. Помните, наша цель в науке - понять, как Вселенная достигла своих нынешних свойств посредством естественных процессов. Если мы заменим научное исследование антропными аргументами, мы никогда не добьемся этого. Мультивселенная может быть реальной, но антропный принцип не может научно объяснить, почему свойства нашей Вселенной такие, какие они есть.