Имал ли е Създателя избор?

В древни времена човекът е бил център на света, цялата Вселена е била създадена и се е въртяла около него.

Науката ни е превърнала в нищожни песъчинки, загубени в пустотата на Космоса. Но в последните години тези две коренно противоположни картини на света по чуден начин са се съединили в концепция, получила названието „антропен принцип“.

В деня на своята смърт, 24 май 1543 година, съсипаният от парализа Николай Коперник, вижда току-що излезлия от печат труд на своя живот – трактата „За въртенето на небесните сфери“. С тази книга започва изгнанието на човечеството от центъра на света, където Земята отстъпва своето място на Слънцето.

След половин век великият фантазьор Джордано Бруно поставя под въпрос и централното положение на Слънцето и до смърт – уви, своята собствена – наплашва обществеността с идеите за множествеността на обитаемите светове.

И ето, четири столетия по-късно, ние живеем на третата от осемте планети край редово светило в покрайнините на огромна галактика. В нея има 400 милиарда звезди, още повече около нея са другите галактики, и това е само малка част от Вселената.

А в последно време космолозите сериозно говорят за множествени вселени. Този последователен отстъп от представите за специалното място на човечеството във Вселената в края на ХХ век започва да се нарича принцип на Коперник. Всеки път подлаган на наблюдения, той така или иначе предизвиква вътрешен протест, тъй като на човечеството е присъщо да чувства себе си център на света.

„Нашето положение във Вселената се явява привилегировано, поне в степен да допусне нашето съществуване“, казва астрофизикът Брандън Картър.

Ако си изберем произволна точка във Вселената, вероятно ще попаднем някъде в междугалактичното пространство, където няма да има нито звезди, нито планети, а само изключително разреден газ – няколко атома на кубически метър. Но и вътре в галактиките човек не може да се появи нито в междузвездното пространство, нито при кратко живеещите звезди гиганти, нито на газовите планети, нито на безатмосферните астероиди.

Голяма част от Вселената е съвършено негодна за живот, така че мястото на нашето обитание далеч не е редово. Това твърдение, което Картър нарича слаб антропен (от гръцкото ánthrōpos – „човек“) принцип, всъщност било само съвет да не се заиграваме прекалено с принципа на Коперник и да отчитаме, че особеностите на нашето местоположение във Вселената се отразяват на резултатите от наблюденията.

Но е формулиран и силен антропен принцип, около който полемиките не спират и до днес. Той гласи: „Вселената трябва да бъде такава, за да допусне на определен стадий появата на наблюдател.“

Мнозина чуват в думата „трябва“ твърдение за някаква цел на съществуването на Вселената, и така формулировката придобива метафизично, може дори да се каже религиозно, звучене: Вселената е създадена за човека, а това значи, че той, независимо от скромността на своите размери, е необходим за огромния Космос.

Самият Картър няма нищо подобно предвид: става дума само за това, пояснява той, че нашите теории трябва да отчитат факта за съществуване на мислещи наблюдатели във Вселената.

Перифразирайки Декарт, той казва: „Аз мисля, следователно Вселената го допуска.“ Но по-късно, от хвърления метафизичен камък започват да излизат кръгове. За това си има причини. За да ги разберем, ще започнем отдалече.

Невероятни съвпадения

През 1919 година немският математик Херман Вайл изчислява, че силата на електрическото взаимодействие между протона и електрона във водородния атом е на 39 порядъка (тоест 10³⁹ пъти) повече от гравитационното им привличане. Това е колосална величина.

Защо е толкова голяма разликата между фундаменталните сили, свързващи две елементарни частици? Нали външните формули на гравитационното и електростатичното взаимодействие толкова си приличат. Било ясно, че това съотношение определя разликите в мащабите на микро- и макрокосмоса. Но защо то е именно такова, а не да речем 10¹⁵ или 10⁷⁵? Тогава този въпрос увисва без отговор.

През 30-те години емигриралият в Америка немски физик Ханс Бете построява теория на термоядрените източници на енергията на звездите, според която запасите с водородно гориво на слънцеподобните звезди са достатъчни за няколко милиарда години – цифра тогава почти немислима.

Английският физик Пол Дирак сравнява този най-голям срещащ се в науката интервал от време с най-малкия (в този момент 10^–24 секунди), който е необходим на светлината, за да измине път, равен на размера на протона. Съотношението отново се получава около 10³⁹. Нима това е просто случайно съвпадение?

Отговор дава през 1961 г. американският астрофизик Робърт Дике, който установява, че само ако съотношенията на Вайл и Дирак са големи и близки едно до друго, то звездите наработват достатъчно тежки елементи, по-специално въглерод, за да възникне живот и да се появи човекът.

Ако се окаже например, че гравитацията е по-силна или скоростта на светлината е по-малка, биха се променили и тези съотношения, и нашето възникване би станало невъзможно. Получава се, че нашата Вселена е специално приспособена за появата на разумни същества в нея.

След Втората световна война теорията на синтеза на елементи в звездите е развита успешно от британския астрофизик Фред Хойл. Той детайлно проработва всички етапи на този сложен процес и би могъл да претендира вероятно за Нобелова награда, ако впоследствие не се увлича по публична критика на общоприетите астрофизични идеи.

Пред ВВС той доста емоционално напада теорията на горещата Вселена, наричайки я „Big Bang“ – Големия взрив. Унищожително словосъчетание, оцеляло и станало научен термин, но Нобеловата награда заобикаля Хойл. Което впрочем не омаловажава неговите постижения във физиката на звездите.

В началото на 50-те години Хойл работи над механизма на синтеза на въглерода от хелий – отначало двойка хелиеви ядра (алфа-частици) се сливат в берилиево ядро, а след това към него се добавя трето хелиево ядро и се образува въглерод.

Но изчисленията показват: при сблъсък на берилий и хелий се получава неустойчиво ядро, което обикновено веднага се разпада. Тогава Хойл издига смела хипотеза: възможно е ядрените физици недостатъчно внимателно да са изучили ядрото на въглерода, изпускайки едно от неговите възбудени състояния – същото, което е необходимо за ефективна реакция между ядра на берилий и хелий.

Хойл дори изчислява енергията на необходимото състояние – около 7,7 мегаелектронволта (MeV). Хипотезата е публикувана през 1952 година и още на следващата година е потвърдена експериментално – в спектъра на възбудени ядра въглерод-12 е открит неизвестен преди резонанс с енергия 7,66 MeV.

Това забележително предсказание убедително потвърждава теорията на ядрените източници на енергията на звездите. Но още по-интересно е това, че без този резонанс – ако се окаже например, че енергията му е с 10% по-висока или по-ниска – въглеродният живот би бил невъзможен. Изглежда, отново ни е провървяло с Вселената.

Фина настройка

След като антропният принцип е формулиран от Брандън Картър, физиците и космолозите се заемат да проверяват как се отразяват на възможността за човешко съществуване различните модификации на физичните закони.

Според съвременните представи цялото многообразие на физичните явления се свежда до четири основни взаимодействия: гравитационно, електромагнитно, слабо и силно. Уравненията, които ги описват, съдържат така наречените фундаментални константи.

Сред тях са скоростта на светлината, задаваща темповете на най-бързите процеси, константата на Планк, определяща мащабите на квантовите явления, гравитационната константа, характеризираща силата на всемирното привличане, а също масите, зарядите и други параметри на редица елементарни частици.

Стойностите на фундаменталните константи, а те днес са 26, не се извеждат от теориите, а се измерват експериментално (макар че далеч не всички от тях са известни). Естествено, сред физиците изникват въпроси: от какво се определят величините на тези константи и какво би се случило с нашата Вселена при тяхното изменение?

Да започнем с частиците, от които се състоят атомите. Положително заредените протони са само с 0,14% по-леки от неутроните, лишени от електрически заряд. Но тази разлика е около два пъти по-голяма от масата на електрона. Излишъкът от маса позволява на свободния неутрон спонтанно да изпуска електрон (и антинеутрино), превръщайки се в протон.

Протонът не може самопроизволно да стане неутрон – за това му е необходимо отнякъде да получи недостигащата маса. Затова протоните са устойчиви, а неутроните – не. Ако се окаже, че масата на протона е само с четвърт процент по-голяма, ситуацията би станала противоположна и Вселената би се лишила от водород, тъй като неговото ядро е именно единичен протон.

Без водород не биха се запалили звездите, не биха се образували тежки елементи и разбира се, в такъв неутронен свят не би имало живот. Но и забележително да се намали масата на протона също не може. Иначе неутроните ще станат прекалено неустойчиви и ще се превръщат в протони дори в атомните ядра (както това се случва с някои радиоактивни изотопи).

Електрическото отблъскване на пренаситените ядра би довело до тяхното разрушаване и във Вселената би останал само единият водород, което за живот е явно недостатъчно.

Какво ще стане, ако променим относителната сила на фундаменталните взаимодействия? Например да увеличим малко ядреното взаимодействие, свързващо протоните и неутроните? Това ще направи стабилно атомното ядро, състоящо се от два протона без неутрони, така наречения дипротон, или хелий-2.

Изчисленията показват, че в такъв свят веднага след Големия взрив всички протони се обединяват в двойки и във Вселената не би останал водород, а това значи, че няма да има нито вода, нито живот.

А ако само няколко пъти усилим гравитацията (помните, че тя е 10³⁹ пъти по-слаба от електромагнетизма), звездите, свивайки се, ще започнат да прогарят десетки пъти по-бързо, не оставяйки време за биологична еволюция.

Пипнете слабото взаимодействие, определящо поведението на неутриното, и ще престанат да се взривяват свръхнови, които разнасят в Космоса тежките елементи, изработени от звездите, и ние ще се лишим от планети.

Оказва се, че в законите на физиката ние буквално нищо не можем да докосваме без риск да получим свят, лишен от наблюдатели. Този странен факт започнал да се нарича „фина настройка“ на Вселената и той настоятелно изисквал обяснение.

Не чак толкова фина настройка

Американският астрофизик и философ Виктор Стенгер смята, че фиността на настройката на нашата Вселена е силно преувеличена. Макар че поотделно е доста опасно да се променят фундаменталните закони, при тяхното съвместно изменение могат да се получат съвсем годни за живот светове.

Свойствата на материята в мащаби от атоми до звезди се определят от четири константи – две от тях регулират силното и електромагнитното взаимодействие, а другите две са масите на протона и електрона. През 2000 година Стенгер написва и качва в интернет неголямата програма MonkeyGod, където може да се зададат тези четири константи и да се разбере какви параметри ще имат атомите, звездите и планетите.

Оказва се, че в около половината от такива случайно „създадени“ вселени времето на живот на звездите превишава милиард години, числото на Вайл и Дирак в около 5% от случаите е от същия порядък. Тоест областта на антропните параметри далеч не е толкова малка, както е прието да се смята.

Освен това всички антропни разсъждения изхождат от това, че разумните наблюдатели непременно трябва да бъдат, подобно на хората, представители на въглеродните форми на живот.

Този „въглероден шовинизъм“ силно съкращава диапазона от възможни условия за съществуване на разума. Ние не знаем другите му форми, но това далеч не значи, че те са невъзможни, и бързото развитие на компютрите дава в това отношение чудесен простор за фантазии.

Бог на пропуските и Мултивселена

Физикът и популяризатор на науката Пол Дейвис е събрал цяла колекция от обяснения на фината настройка. Тя започва с тривиалната възможност, която се нарича „абсурдна Вселена“ – просто да се приеме такъв свят като даденост и да се откажем от опитите за обяснения.

Колкото и да е странно, това е най-разпространеното отношение на хората към проблема за фината настройка, макар че повечето хора никога не са се замисляли за нея.

Друг популярен подход е да се припише всичко на свръхестествена Настройка, планирана специално за появата на човека. Това е така нареченият креационизъм – религиозно течение, стремящо се да намери в природата научно потвърждение на съществуването на Бог.

Основният аргумент на креационизма е това, че науката няма готови обяснения как светът се е сдобил с едни или други открити от науката свойства, било то фина настройка на константите или механизъм на наследствеността.

В отговор критиците казват, че креационистите вярват в „Бог на пропуските“, чието битие е обосновано само на пропуски в съвременните знания. В последните години се разпространява друга версия на креационизма – „теория на разумния замисъл“. От нея са изхвърлени всички явни споменавания на Бог, а се говори само за неизвестен разум, управляващ нашия свят.

Вие сте свободни да си го представите било като архитект на Матрицата, било като зелено човече. Така креационистите се опитват да преодолеят юридическата забрана за преподаване на религиозни идеи в американските публични училища.

Малко по-близо до науката е хипотезата за съществуването на някакъв все още неоткрит принцип, възпрепятстващ възникването на Вселена, неспособна за пораждането на разумни същества. За разлика от теорията на разумния размисъл такъв ограничаващ принцип има естествена природа и може да бъде изучен.

Още по-изтънчена е парадоксалната хипотеза на американския физик Джон Уилър, същия, който измисля термина „черна дупка“. Още през 1979 година той задава въпроса: „Пораждайки на определен етап от своето съществуване наблюдатели участници, не придобива ли на свой ред Вселената посредством наблюдения тази осезаемост, която ние наричаме реалност?“

Получава се, че съществуването на Вселена в миналото се обяснява с нейни свойства, които ще се появят едва в бъдещето. Подобни идеи не се явяват религиозни, но не могат да се признаят и за научни, тъй като от тях не произтичат никакви проверяеми следствия. Да ги наречем условно метафизични.

Сред научните подходи към обяснението на фината настройка Пол Дейвид назовава две остро конкуриращи се идеи. Едната от тях твърди, че съществуващата настройка на Вселената се извежда от някаква още непостроена фундаментална физична теория със същата математическа неприложност, както броя на геометричните конструкции.

Противостои ѝ идеята за Мултивселена, твърдяща, че ние живеем в една от огромно множество несвързани помежду си вселени, където по рядък начин са съвпаднали благоприятни за живот параметри.

Не ни учудва, че обитаваме уникално за Вселената място – на повърхността на планета с кислородна атмосфера, тъй като в други условия просто не бихме могли да се появим. Така че защо да не допуснем, че и самата наша Вселена е само една от множество светове със свои закони на физиката във всеки.

Разбира се, абсолютното мнозинство от тези вселени поради „неправилни“ настройки ще се окажат безжизнени, но за това така или иначе никой няма да разбере, а ние сме се появили в една от тези, където това е било възможно.

Има много идеи за това, как възникват и къде съществуват тези вселени. Американският космолог Александър Виленкин съвместно с испанския астрофизик Хауме Гарига са разработили теория, според която в резултат на квантови флуктуации от нищото (състояние без време и пространство) се раждат безкрайно множество несвързани помежду си вселени с всички възможни варианти на параметри.

Според хипотезата на американския астрофизик Лий Смолин от всяка вселена могат да се пъпкуват нови с други характеристики. Но има и не толкова екзотично предположение за това, че фундаменталните константи много бавно варират в пространството и времето, така че някъде далеч зад хоризонта на видимостта на нашата Вселена физиката става съвсем друга, а ние просто се намираме на едно от редките годни за живот островчета.

Във всеки от вариантите антропните съвпадения се обясняват с това, че несъвместими с живота вселени просто са лишени от наблюдатели.

Идеята за Мултивселена е най-естественото обяснение на фината настройка на Вселената. Нерядко тя се отъждествява дори със самия антропен принцип. Но в същото време това е една от най-нееднозначните теории на съвременността.

Първоначално тя била доста студено приета от научното общество. Това е разбираемо, тъй като важен критерий за научност е експерименталната проверяемост. Но как да провериш хипотезата за съществуването на вселени, напълно изолирани от нашата, затова абсолютно ненаблюдаеми?

Имал ли е Създателя избор?

Като епиграф за конкуриращия научен подход може да служи знаменитият въпрос на Айнщайн: „Имал ли е Господ избор, когато е творил Вселената?“

Тези думи изразяват заветната мечта на много физици да открият теория, от която се извеждат стойностите на фундаменталните константи и свойствата на всички частици.

Основите на съвременната теоретична физика са далече от съвършенството. Три от четирите фундаментални взаимодействия се описват от квантовата теория на полето и Стандартния модел на елементарните частици. Но математически те са несъвместими с общата теория на относителността, описваща гравитацията.

В последните години са открити физични явления, отклоняващи се от предсказанията на Стандартния модел. Това кара физиците упорито да търсят нова единна теория на всичко, и сред главните претенденти за това звание е сложна математическа конструкция, наречена теория на струните.

Всички елементарни частици в тази теория са представени не от точки, а от малки натегнати примки – струни, милиарди милиарда пъти по-малки от атомно ядро. Тези струни постоянно вибрират, като това се случва не в три, а в десет пространствени измерения, където струните имат различни начини да се колебаят.

Поради изключително малките размери на струните ние не виждаме безумните им извивки, но всеки тип от техните колебания съответства на определен набор от свойства на елементарните частици – маса, заряд, спин и т.н.

Всички параметри на елементарните частици чисто математически да се извеждат от анализа на възможните колебания на еднаквите елементарни струни – е не теория, а мечта. Стига да се убедим, че изчислените характеристики на частиците съвпадат с наблюдаемите и стане ясно, че никаква друга Вселена е невъзможна, Създателя просто не е имал избор. Антропният принцип ще отиде на бунището на историята по същия начин, както геоцентризма от края на ХХ век.

Един от водещите специалисти по теория на струните, Нобеловият лауреат Дейвид Грос, казва за антропния принцип: „Хората стигат до тези мисли от чувство за безпомощност. Аз съм убеден, че нещата, които изглеждат специално създадени за нашето съществуване, с времето получават естествено обяснение.“

Много физици смятат антропния принцип и разсъжденията за Мултивселена за нещо като капитулация пред трудностите в търсенето на окончателна теория. За съжаление новата математика действително е изключително сложна и работата над нея периодично попада в задънена улица.

Както е известно, нашето пространство има три измерения. И тази фундаментална константа също е безупречно „настроена“ – само в триизмерно пространство са устойчиви атомите и планетните системи, а при друга размерност те неизбежно ще се разрушат.

Но наборът от степени на свобода на струните, достатъчен за описание на свойствата на всички частици, се появява само в десетизмерно пространство. Това противоречие може да се разреши, като се допусне, че 7 от 10-те измерения са свити, тоест в съответстващите посоки Вселената има микроскопични размери, сравними с примките на струните.

При такова предположение и вълкът е сит, и агнето е цяло – струните получават необходимите им 10 измерения, а свитите измерения не нарушават триизмерността на нашия свят.

Всичко щеше да е добре, но се оказва, че свиването на трите „излишни“ измерения може да стане различно, подобно на това как по различни начини се връзват възли. И на всеки начин съответства собствен набор колебания на струните, а това значи, че има свой набор фундаментални константи.

Поначало физиците се надявали да открият сред възможните варианти един, точно съответстващ на нашия свят, но след това се изяснило, че излишните измерения може да се свият примерно по… 10⁵⁰⁰ начина. Не е ясно как от такова невъобразимо множество може да се избере обосновано един-единствен вариант.

Когато бил открит този проблем, един от водещите специалисти по теория на струните – Джоузеф Полчински, който до този момент бил противник на антропния принцип, неочаквано преразгледал възгледите си и подкрепил идеята за Мултивселена.

Той смята, че трябва да съществуват всички варианти на свиване на излишните измерения и на всеки съответства вселена със свой набор физични закони. Само в нищожна част от тези светове, възможно в един на 10¹⁰⁰, може да се зароди разум, но всичко това така или иначе е достатъчно за антропната аргументация.

Принцип на посредственост

И все пак наблюдаемостта на другите вселени сериозно поставила под въпрос научността на антропния принцип. Ако сравним новата концепция на множествените светове с идеите на Джордано Бруно, то преимуществото няма да е на страната на Мултивселената. Нали другите звезди, за които говорил Бруно, се виждали на небето, а възможността да се получи сигнал от друга вселена е изключена по принцип.

Поразително е, но пълната наблюдаемост на другите вселени не попречила да се предложи начин за проверка на хипотезата за Мултивселена. Александър Виленкин взел за основа издигнатия от него принцип на посредственост, или обобщен вариант на принципа на Коперник: ако човечеството е само една от цивилизациите на безкрайна Мултивселена, то нашето положение е случайно, но само в тази степен, в която развитието на живота е вероятно в едно или друго място.

Сред малкото съчетания на фундаменталните константи, допускащи появата на наблюдатели, не всички са равностойни. При „граничните“ стойности вероятността от възникване на разумни същества ще бъде ниска.

За конкретна теория на Мултивселената може да се построи разпределение на вероятностите, имащи най-благоприятни за живот стойности на фундаменталните константи с дълги „опашки“, където съществуването на високоразвит живот е възможно, но слабо вероятно.

Можем да измерим фундаменталните константи само в една – нашата Вселена, но ако Мултивселената наистина съществува, то получените стойности, според принципа на посредственост, с висока вероятност ще се окажат в зоната, най-благоприятна за живот.

Напротив, ако Вселената е единствена, а всички параметри безалтернативно са определени от някаква окончателна физична теория, то едва ли те попадат в неголяма зона на максимално благоприятстване за живот. По такъв начин ние получаваме макар и не много надежден, но все пак експериментален метод да отличим Мултивселената от единствената уникална Вселена. И този метод вече е приложен.

На чия страна е тъмната енергия?

През 1917 година Алберт Айнщайн открил, че уравненията на новата му теория на привличането предсказват гравитационен колапс на Вселената. За да го потвърди, той въвел в тях коригиращ параметър, който станал известен като космологична константа.

В последно време тя се отъждествява с плътността на тъмната енергия, въздействието на която води до универсално отблъскване на всички материални обекти, намиращи се на голямо разстояние един от друг.

Плътността на тъмната енергия е една от фундаменталните константи, определящи еволюцията на Вселената. Колкото по-голяма е нейната стойност, толкова по-силно е отблъскването и толкова по-трудно материите се сгъстяват и образуват структури.

За съжаление природата на тъмната енергия още е неизвестна и теоретичното ѝ предсказване не се получава. Тоест квантовата теория дава едновременно две предсказания – или строга нулева стойност, или колосална величина от порядъка на 10⁹⁴ г/см³, при която дори ядрата на атомите за мигване на окото се разкъсват на части.

Възможно е именно такава да е била причината за Големия взрив, но в съвременната Вселена плътността на тъмната енергия явно не е толкова голяма. Затова до края на миналия век много физици били убедени, че тя наистина е равна на нула.

И все пак Нобеловият лауреат, космологът Стивън Уайнбърг, е оценил диапазона на нейните стойности, съвместими със съществуването на живот. Оказало се, че ако плътността на тъмната енергия 100 пъти превишава съвременната плътност на обичайната материя, в нашата Вселена не биха се образували галактики – газът, от който те се формират, просто би се разпръснал по цялото пространство. А без галактики не би имало нито звезди, нито планети, нито живот.

Достатъчно галактики се получават само при плътност на тъмната енергия само на порядък по-ниско, а по-нататъшното ѝ снижение вече почти на нищо не влияе. Това е и благоприятният за живот диапазон на стойностите на космологичната константа – от нула до величина на порядък по-голяма от сегашната средна плътност на обичайната материя във Вселената.

Ако е вярна теорията на Мултивселената, космологичната константа по-скоро има произволна стойност в този диапазон и едва ли ще бъде много малка. В противен случай, както следва от съвременната физика на елементарните частици, тя трябва да е нулева.

Моментът на истината настанал на границата на вековете, когато с различни методи най-накрая била измерена космологичната константа. Тя се оказала двойно по-висока от плътността на обичайната материя, тоест в този диапазон, който следвал от теорията на Мултивселената.

По такъв начин антропният принцип получил макар и не много силно, но все пак експериментално потвърждение.