ЗМІСТ
ВСТУП
1. Людина у Всесвіті
2. Умови існування життя
3. Фундаментальні фізичні величини
4. Антропний принцип
ВИСНОВОК
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
ВСТУП
Рівень знань, досягнутий за останні десятиліття, якісно змінив не тільки наші уявлення про навколишній світ, але й сам спосіб життя людини. Проте, чим глибше ми пізнаємо Природу, тим все виразніше переконуємося, наскільки складні відповіді на, здавалося б, найпростіші, але в той же час фундаментальні питання. Чому оточуючий нас світ саме такий, яким ми його спостерігаємо? Чому в ньому існують галактики, зірки, планети? Випадково чи закономірно поява людини? Чи є інші світи, заселені розумними істотами? І хоча людство просунулося у вивченні основних законів природи, воно також далеко від вичерпної відповіді.
У своєму рефераті я спробую показати один з можливих підходів до вирішення цих проблем, причому, далеко не безперечний. У його основі лежать наступні міркування. Ядро сучасного природознавства - фізика - наука, що вивчає фундаментальні властивості природи. Передбачається, що повинен існувати якийсь єдиний принцип, що дозволяє однозначно і з необхідністю відповісти на сформульовані вище питання. Але сучасна наука такий принцип ще не запропонувала. Тому спроба науково пояснити спостережувану структуру фізичного світу грунтується не на фундаментальній фізиці, а на біології, так як беззаперечний факт - існування розумного життя на Землі. Такий підхід отримав назву антропного (або антропоцентричного) принципу.
1. Людина у Всесвіті
Питання про призначення людини, її роль і місце у світі так чи інакше порушувалося і вирішувалося в будь-якої філософської проблеми. Відповідно до християнським поглядам, людина - образ і подобу Бога. Тому, по суті, мета створення навколишнього світу полягала саме в створенні обстановки для життєдіяльності людини і задоволенні його духовних і плотських потреб. З цієї причини геоцентрична система Миру Аристотеля-Птолемея, що поставила Землю і людину в центр Всесвіту, настільки імпонувала християнству. Розвинена Коперником геліоцентрична система Світу стала початком ланцюга великих відкриттів, які завдали марнославним амбіціям людини непоправної шкоди. Астрономічні спостереження показали, що не тільки Земля, а й саме Сонце займає дуже скромне положення в нашій Галактиці, перебуваючи на відстані близько 30 тис. св. років від її центру. Галактика також виявилася звичайною серед сотень мільярдів, схожих на неї. Більше того, тепер відомо, що Всесвіт у великих масштабах однорідна і изотропна, тобто немає ні виділених точок, ні обраних напрямків. Звідси випливає цілком закономірний висновок про можливість існування розумного життя в інших куточках Всесвіту. І все ж, якщо місце людини у Всесвіті не виділено, цілком доречно припустити, що людина виділений як специфічна форма існування матерії. Щоб зрозуміти наслідки з цього припущення, потрібно чітко уявляти, що таке життя, і особливо, розумне життя. Одне з найбільш загальних визначень, з нашої точки зору, дано М. В. Волькенштейна: «Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті, що самоорганізуються і що самовідтворюються системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот». Якісна відмінність людини від усього живого - його здатність мислити. І хоча існують різні визначення розуму, ми скористаємося наступним: розум є здатність матерії пізнавати саму себе, при цьому мається на увазі пізнання фундаментальних законів природи, різних сутностей, прихованих за видимими явищами. Далі необхідно сформулювати ще два положення. Перше - носієм розуму може бути тільки жива матерія (про це ми вже згадували раніше) і друге - носієм може бути тільки високоорганізована матерія (клітини кори головного мозку, мають, мабуть, найскладнішу організацію в природі, причому вони якісно відрізняються від найпростіших живих клітин ). Дані твердження слід розглядати як узагальнення дослідних фактів, відомих сучасній науці, але з нашої точки зору подальший розвиток знання навряд чи змусить відмовитися від сформульованих принципів (принаймні від другого).
Перш за все зупинимося на питанні: які умови необхідні для підтримки відомих нам форм життя? Це вода і їжа. Важливе значення має і температура навколишнього середовища. Дійсно, з одного боку при 0 ° С утворюються кристалики льоду руйнують клітини і тканини, втрачаються багато біологічно важливі властивості води, з іншого - вже при температурах понад 42 ° -43 ° С білки - основний матеріал людського організму - незворотньо змінюють свою складну структуру. Нарешті, величезне значення має повітря. Що міститься в ньому кисень необхідний для окислювально-відновних реакцій усередині клітин.
2. Умови існування життя
Розглянемо більш детально, що забезпечує існування всіх перерахованих елементів. І тут відразу ж очікують сюрпризи, які від конкретних властивостей життя і необхідних для цього умов переводять до фундаментальних проблем будови Всесвіту. Відомо, що для нормальної життєдіяльності організму необхідний величезний набір хімічних елементів, починаючи з водню і закінчуючи металами: залізо, мідь, молібден та ін, причому хоча і потрібно їх незначна кількість, відсутність або недолік будь-якого одного з них призводить до важких порушень життєдіяльності організму, аж до його загибелі. Але основними за поширеністю у Всесвіті є водень і гелій, а все більш важкі елементи утворюються в результаті реакцій ядерного синтезу всередині зірок, і розкидаються в навколишній простір завдяки вибухів наднових, тому відсоток важких елементів дуже невеликий.
Молекулярна основа життя (і розуму) молекула ДНК містить вуглецю 29,8%, водню 37,5%, кисню 18,3%, азоту 11,3%, фосфору 3,1% (Н. Хоровіц. Пошуки життя в Сонячній системі. М: Світ, 1988). Отже, важкі елементи не тільки необхідні для підтримання життя, а й лежать в її основі). Хіміки й біологи давно встановили, що земне життя визначається властивостями вуглецю. Виявляється, конкурентів йому практично немає. Чому? Можна виділити три основні моменти. По-перше, вуглець найпоширеніший з усіх важких хімічних елементів у Всесвіті. По-друге, він здатний формувати величезне число великих, складних, але і що дуже важливо, стабільних молекул. Нарешті, по-третє, з'єднання вуглецю хімічно інертні, тобто з працею вступають в реакції. Ця інертність, обумовлена електронною структурою атомів, забезпечує утворення молекулярних систем надзвичайно складної структури, але разом з тим і дуже стабільних. У силу цих особливостей вуглець служить основним матеріалом генетичних систем, а значить умовою існування і відтворення життя і розуму. Поки не відомі інші хімічні елементи, здатні замінити вуглець як основу життя. Вода також має низку унікальних властивостей, завдяки яким вона може служити біологічним розчинником - природним місцем існування живих клітин і організмів. До числа таких властивостей відносяться: висока температура танення (льоду) і кипіння, широкий діапазон температур, в межах якого вода залишається в рідкому стані, велика діелектрична постійна.
Отже, без вуглецю не було б складноорганізованих молекул, що лежать в основі життя, а без води життя не змогла б існувати. Це накладає додаткові обмеження. Для того, щоб вода існувала в рідкому стані, необхідні суворо визначені температурні межі, що можна досягти тільки на планетах. Отже, ми приходимо до іншого умові, необхідного для життя, - планет. Але вони, як відомо, не самостійні освіти, а входять до складу систем, пов'язаних із зірками. А звідси випливають вже обмеження і для зірок! Перш за все Б. Картер зазначає, що виникнення планет можливо лише у зірок, де є конвекція в приспів-поверхневому шарі. Крім того, раз планети - холодні тіла, то виникає на них життя повинна отримувати необхідну енергію від найближчої зірки, причому час існування зірки має бути таке, щоб вона могла забезпечити необхідною енергією тривалий процес зародження і розвитку життя аж до розумної форми. Бажано, щоб при цьому зірка була стабільною, без різких змін зовнішніх умов, до яких дуже чутливі складноорганізовані молекули. Найімовірніше, таким умовам можуть задовольняти тільки поодинокі зірки.
Всі ці умови, у свою чергу, висувають певні вимоги до Всесвіту. Дійсно, як мінімум час її існування повинно бути таким, щоб зірки виникли, обзавелися планетами, на них зародилося життя і еволюція її привела до розумній формі (ну і, природно, щоб розумне життя теж мала час, хоча б для доведення своєї розумності). Таким чином ми бачимо, що факт існування розумного життя накладає вельми жорсткі умови на структуру і будову Всесвіту, в якій вона існує. І виявляється, що ці обмеження набагато більш вражаючі, ніж проста вимога достатнього часу існування Всесвіту. До цього питання ми й переходимо.
3. Фундаментальні фізичні величини
У фізиці існує ряд постійних, які, за сучасними даними, мають одне і те ж значення в будь-якій точці спостережуваного Всесвіту, тому вони отримали назву фундаментальних, чи світових, констант. Ця назва виправдане ще й тим, що їх чисельні значення істотно впливають на структуру і будову навколишнього світу. До таких постійних відносяться: постійна всесвітнього тяжіння, постійна Планка, швидкість світла, маса протона, маса електрона, постійна Хаббла (для нашої епохи) і ряд ін До речі, питання про повний набір фундаментальних сталих вчені всього світу обговорюють вже більше 20 років, але до цих пір не досягли згоди. Виявилося, що числові значення цих констант не можуть бути будь-якими або мати широкий розкид значень, а існування розумного життя робить їх вибір майже однозначним. Для доказу цього твердження звернемося до даних, які наводить доктор фізико-математичних наук І. Д. Новиков в книзі «Як вибухнула Всесвіт».
Почнемо з мікроструктури. Відомо, що найпростіший і найбільш поширений атом у Всесвіті - водень. Він достатньо стабільний, якщо його не піддавати зовнішніх впливів. Але чому електрон не може вступити в реакцію з протоном, тобто чому не відбувається реакція р + е - n + v, яка задовольняє всім законам збереження і дійсно спостерігається на прискорювачах. Виявляється, сума мас спокою протона і електрона менше, ніж маса нейтрона. Значить, щоб ця реакція відбулася, атому водню треба повідомити додаткову енергію ззовні. Нейтрон масивніше протона на delta m = 1,3 МеВ, а маса електрона всього me = 0,5 МеВ (ми використовуємо тут енергетичні одиниці, прийняті у фізиці високих енергій). Значить, атом водню буде стабільний, якщо сума мас протона і електрона буде менше маси нейтрона. Якби маса електрона була інша, то, як показують розрахунки, атом водню не міг би «прожити» понад 30 ч., тобто у Всесвіті не існувало б головного ядерного пального для зірок, а значить не було б і звичайних зірок, необхідних для виникнення і розвитку життя. Зміни маси протона (938,28 МеВ) або нейтрона (939,57 МеВ) хоча б на одну тисячну також має призвести до описаних вище катастрофічних наслідків. Але це обмеження знизу. Розглянемо тепер обмеження зверху. Ізотоп водню - дейтерій, точніше його ядро, Дейтон, складається з нейтрона і протона. Питома енергія зв'язку їх дорівнює 2,2 МеВ. Чому в цьому ядрі нейтрон не розпадається за тією ж схемою, як і нестабільний вільний нейтрон. Справа в тому, що при розпаді нейтрона енергія руху утворилися частинок виникає за рахунок різниці мас нейтрона й протона. Якщо припустити, що енергія нейтрино мала, та ще треба затратити енергію на освіту електрона, то для кінетичної енергії розльоту частинок залишається всього 0,8 МеВ. Щоб вилетіти з ядра, частинкам треба ще подолати енергію зв'язку 2,2 МеВ. Тому Дейтон і стабільний. Але чому це так важливо? Освіта дейтерію - перший крок у ланцюжку ядерних перетворень, що ведуть від водню до більш важких елементів, яких не було в ранньому Всесвіті. Нині ці реакції йдуть в надрах зірок. Без дейтерію стали б неможливі всі відомі шляхи освіти елементів важче водню, не виникло б вуглець, а значить і відома нам форма життя. З факту існування розумного життя слід нерівність 0,5 МеВ <delta m <2,7 МеВ. Погодьтеся, дивно вузький інтервал у порівнянні з космічними перепадами параметрів.
Тепер про постійну сильної взаємодії. Якби вона була дещо меншою, то складні ядра були б нестійкі, а значить стали б неможливими ні ядерні реакції в зірках, ні освіта відомих хімічних елементів. І як наслідок - не виникла б наша форма життя. Звернемося тепер до макроструктуру. З астрономії відомо, що в зірках з масою порядку сонячної (і менше) у верхніх шарах існує конвективное перемішування. У більш масивних зірок цього немає. Аналіз показує: якщо б значення постійної тяжіння Про було більше, то зірки не мали б конвективних шарів, а, отже, і планет, тобто не виникла б і життя. Розрахунки показують, що повинна виконуватись нерівність АG> а ^ 12 (mp / me) - mp, me маси протона і електрона де ag = (G * mp ^ 2) / (h * c), (де G - гравітаційна постійна, h - постійна планка, c - швидкість світла) - безрозмірна величина, що характеризує гравітаційна взаємодія і названа постійної «гравітаційної тонкої структури». Якби гравітація (G) була трохи слабкіше, а електромагнетизм (е) трохи сильніше і електрон трохи масивніший, то всі зірки були б червоними карликами. Навпаки, ледь помітне відхилення в іншу сторону - і всі вони були б блакитними гігантами. Ні в тих, ні в інших немає кон-вектівних шарів зі всіма витікаючими звідси наслідками. Г. Гамов, П. Дірак, А. Еддінгтон звернули увагу ще на одне числове збіг. Поділивши час проходження світлом діаметра протона 10 ^ -24 секунди на гравітаційну постійну тонкої структури АG, то отримаємо: т = 10 ^ 18 секунд або 30 * 10 ^ 9 років. Цей проміжок часу, по порядку величини дуже близький до віку Всесвіту. Просте це збіг чи тут прихований, як припускав Дірак, ще не відкритий фундаментальний фізичний принцип?
Звернемося, нарешті, до самого очевидного властивості нашого світу - його тривимірності. Подивимося, що станеться, якщо розмірність простору буде іншою. Розглянемо дві фізичні взаємодії - електростатичне (описується законом Кулона) і гравітаційне (описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона). У цих випадках сила обернено пропорційна квадрату відстані. Але вже І. Кант зрозумів, що цей результат є наслідком тривимірності простору. Чому електростатична сила слабшає з відстанню r? Наочно відповідь можна отримати так - із зростанням г силові лінії поля, створюваного нерухомим зарядом, розподіляються по все більшій поверхні сфери, що охоплює заряд і має радіус r. Площа сфери зростає як r, значить, щільність силових ліній, що пронизують сферу, зменшується як 1 / r ^ 2. Сказане справедливо для тривимірного простору. Якщо ж простір чотиривимірному, то площа чотиривимірний сфери пропорційна r ^ 3, а для простору n вимірювань площа пропорційна r ^ n-1. Значить, у цих просторах закон зміни електростатичної і гравітаційних сил буде F = 1 / r ^ n-1 Тепер розглянемо рух (наприклад, електрона навколо протона або планети навколо центральної зірки). З аналітичної механіки відомо, що для існування стійких кругових орбіт необхідно, щоб відцентрові сили зменшувалися з відстанню швидше, ніж сила тяжіння F. Інакше рух по колу буде нестійким і будь-яке мале обурення призведе до того, що заряд або «впаде» в центр, або полетить у нескінченність. Але відсутність стійких орбіт означає неможливість існування ні атомів, ні планетних систем. Значить, для їх існування необхідна розмірність простору повинна бути n <або = З.
4. Антропний принцип
Отже, було наведено достатньо наукових аргументів, що свідчать про те, що якщо виходити з очевидного факту наявності розумного життя, то ми повинні визнати необхідність накладення цілком певних обмежень на фундаментальні властивості Всесвіту, в якій це життя живе. По суті такий висновок і є антропний принцип. У залежності від того, як далеко в часі існування Всесвіту і в її просторових масштабах поширюються ці обмеження, розрізняють слабкий і сильний антропний принцип.
Б. Картер сформулював слабкий антропний принцип так: «Те, що ми припускаємо спостерігати, повинна відповідати умовам, необхідним для присутності людини в якості спостерігача». Відомий радянський космолог А. Л. Зельманов дає подібну формулювання: «Ми є свідками даних процесів тому, що інші процеси протікають без свідків». Таким чином, вплив слабкого антропного принципу поширюється тільки на той відрізок еволюції Всесвіту, коли в ній виникла розумне життя і потрібно, щоб саме в цю епоху Всесвіт задовольняла тим жорстким умовам, які були вказані вище.
Але чи має в цьому випадку сформульований принцип будь-якої евристичної силою і чи не є він простою констатацією факту? Насамперед зазначимо, що складні форми руху матерії (складні хімічні сполуки, необхідні для розумного життя) могли виникнути у Всесвіті лише на певному етапі її еволюції. Таких умов не було в далекому минулому Всесвіту, коли не було ще ні зірок, ні планет. Мабуть, великі труднощі для зародження життя (а тим більше, розуму) виникнуть і в далекому майбутньому, коли погаснуть зірки, а тим. більш пізніше, коли почнуть розпадатися важкі частинки, перетворюючись у фотони і нейтрино.
Отже, ми приходимо до висновку: розумне життя може виникнути у Всесвіті в цілком певний період - в епоху, коли є для цього умови. Дотримуючись І. Д. Новікову, можна сказати, що Всесвіт може «породжувати спостерігачів» («свідків») тільки в нашу епоху. Цей висновок дозволяє пояснити збіг часів, помічена Діраком. Можна показати, що проміжок часу 10 ^ 10 по порядку величини дорівнює тривалості життя середньої зірки, і вік Всесвіту приблизно дорівнює віку зірок. Коли вік Всесвіту набагато перевершить вік зірок і вони згаснуть, зародження і розвиток життя аж до розумної, стане вже неможливим. З іншого боку, той же процес неможливий і в помітно більш ранню епоху, бо для цього необхідна поява зірок і їх тривале стабільне випромінювання. Ще один висновок слабкого антропного принципу: спостерігачі можуть з'явитися тільки при певному наборі фізичних констант (включаючи і розмірність простору), за певних фізичних законах. Якщо і були (і, можливо, є?) Всесвіти з іншими законами, у них ніколи не виникне розумне життя. У цьому сенсі, наш Всесвіт така, якою ми її бачимо саме тому, що в ній є ми.
Останній висновок допускає досить-таки глобальне узагальнення, яке названо сильним антропним принципом. Б. Картер сформулював його так: «Всесвіт повинна бути такою, щоб у ній на деякій стадії еволюції міг існувати спостерігач». Цей принцип накладає обмеження вже на всі брешемо я існування Всесвіту і всю її структуру. Він стверджує, що Всесвіт має бути пристосована для виникнення і розвитку життя, і як закони фізики, так і початкові умови підлаштовуються так, щоб забезпечити еволюцію життя аж до її розумної форми. У цьому відношенні сильний антропний принцип те саме релігійному поясненню світу: Бог створив світ, щоб люди населяли його. Очевидно, що в цьому випадку слабкий антропний принцип є лише окремий випадок сильного.
З фізичної і філософської точок зору видається дивним, що тільки існування розумного життя має пояснити структуру Всесвіту. Сформовані фізичні умови могли б призвести до появи людини, але навряд чи можна приписати розумного життя можливість формулювати вимоги, обов'язкові для всієї навколишнього матерії в будь-які тимчасові епохи. У середині 80-х рр.. А. Лінде і А. Ста-робінскій запропонували таку модель виникнення Всесвіту, яка передбачає, що природа дійсно «намагалася і намагається створювати» нескінченне число всесвітів з різною фізикою, тобто з різними наборами фундаментальних констант, з різною розмірністю простору і т . д. І тоді ми - спостерігачі - з'явилися тільки в рідкісної з цих всесвітів, нашого Всесвіту, яка задовольняє всім вимогам, необхідним для виникнення і розвитку життя аж до розумної форми, тобто в тому світі, який підкоряється сильному антропному принципом.
ВИСНОВОК
Сучасна наука встановила, що для розвитку розумного життя потрібні дуже специфічні умови, що накладають досить жорсткі обмеження на властивості Всесвіту. І що цікаво, наш Всесвіт виявилася незвичайно точно задовольняє всім вимогам, правда, і дуже чутливою до незначної зміни кожної з фундаментальних констант, відповідальних за її властивості, причому будь-це зміна практично робить неможливим існування розумного життя. Для пояснення цієї дивно точного налаштування був висунутий антропний принцип, що зв'язує фундаментальне будову Всесвіту з фактом існування в ній розумного життя. Цей принцип дозволяє зрозуміти досить специфічні властивості спостережуваного Всесвіту: надзвичайну однорідність у великому масштабі, але все-таки не таку, щоб не могли утворитися галактики; досить низьку температуру, необхідну для хімічних реакцій; значення постійних, що характеризують чотири відомі нам типу взаємодій, що дозволяють існувати ядрам, але не дозволяють вигоряти всьому космічному водню та ін
Але у своїй сильній формі антропний принцип призводить до висновків, які справедливо критикуються як фізиками, так і філософами. Однак подальший розвиток науки дозволить побудувати таку фізичну модель Всесвіту, в якій антропний принцип отримає своє матеріалістичне тлумачення і займе цілком природне місце. Але поки це залишається тільки теоретичною схемою, що вимагає подальшої розробки і практичного підтвердження. Тому історія антропного принципу ще далека від остаточного завершення.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
В. М. ЧАРУГІН, О. Є. БАКСАЙСКІЙ Місце людини у Всесвіті / / Земля і Всесвіт. - 2001. - N 6. С. 73-78.
Філософія: курс лекцій. - 2-е вид., Перераб. і додатк. -М.: Центр, 2001. 272с.
http://alt-future.narod.ru/Seti/charug.htm
http://www.leq.ru/Soc/Nepoznal/Chelovek-i-Vselennaja