Descoperirea recentă a undelor gravitaționale din Big Bang care a dat naștere universului nostru a declanșat valuri în cercurile astrofizice și cosmologice. Unii au salutat cu entuziasm noua descoperire, susținând că în cele din urmă a dovedit realitatea inflației (așa-numita expansiune rapidă a universului postulată de teorie după Big Bang).
Alții au solicitat prudență, subliniind că valurile detectate s-ar fi putut datora în parte altor factori decât inflația. Unii au anunțat că aceste rezultate au îngropat în cele din urmă aproape toate teoriile alternative propuse pentru a explica proprietățile observate ale universului, alții au avertizat împotriva grabii excesive, apelând mai întâi la „dovedirea fiabilă” a inconsistenței alternativelor posibile. Pe acest context general agitat, discursul unuia dintre cosmologii moderni de frunte, Andrei Linde, de la Universitatea Stanford, a fost deosebit de interesant.
Salutând noua descoperire, el a spus că nu numai că „înlătură 90% din toate celelalte modele de inflație”, ci și „se potrivește perfect cu teoria inflației haotice”, adică cu teoria pe care Linde însuși a dezvoltat-o în urmă cu aproximativ 30 de ani. Nu întâmplător cuvintele lui Linde au trezit interesul special al tuturor colegilor săi. Cert este că, dacă teste suplimentare confirmă realitatea inflației haotice, aceasta va însemna că cosmologia a reușit în cele din urmă să rezolve o întrebare dureroasă și fundamentală, căreia nu a reușit să dea un răspuns satisfăcător timp de mai multe decenii.
Această întrebare, așa cum veți vedea acum, este fundamentală și pentru noi, curioșii obișnuiți, deoarece în forma sa cea mai primitivă sună așa: de ce existăm deloc?
Permiteți-mi să vă explic acum. Deja la mijlocul secolului trecut, s-a observat că constantele fizice de bază (de exemplu, încărcarea electronilor, constanta gravitațională în legea gravitației universale și o serie de alte cantități fundamentale) sunt extrem de corect ajustate pentru a se asigura că viața în univers ar putea exista sub forma în care noi noi stim.
Există numeroase alte exemple de ajustare atât de fină a legilor naturii la nevoile unui antrop, adică a unei persoane. Să spunem că viața noastră se bazează pe carbon, iar carbonul, așa cum a arătat studiul proceselor de formare a elementelor chimice, nu ar putea apărea în univers dacă nivelurile de energie în atomi mai ușori decât carbonul, elementele diferă chiar și de miliarde de parte din ceea ce este pe într-adevăr.
Un alt exemplu, deja din geometria spațiului: pentru apariția și dezvoltarea vieții, sunt necesare planete care se învârt în jurul stelelor lor în conformitate cu legea gravitației. Iar teoria generală a relativității arată că în spațiul a două dimensiuni, gravitația ar fi prea slabă pentru a ține planetele lângă stele, iar în spațiul a patru sau mai multe dimensiuni, nu poate exista deloc gravitație.
Pentru antropi, rămâne doar acel spațiu de trei dimensiuni, pe care îl vedem în jurul nostru. Și există foarte multe astfel de exemple. Cei interesați mă voi referi la minunata carte de Barrow și Tippler, „Principiul antropic cosmologic”.
Video promotional:
Cum explici o potrivire atât de subtilă? În 1973, celebrul astrofizician Brandon Carter, vorbind la conferința de la Cracovia în onoarea a 500 de ani de la nașterea lui Copernic, a formulat un posibil răspuns la această întrebare. Acest răspuns se numește „principiul antropic”. El susține că, spre deosebire de vechea credință (copernicană) că locația Pământului în spațiu nu este diferită de orice altă locație posibilă din univers, de fapt, spune Carter, „poziția sa, deși nu este neapărat centrală, este încă oarecum specială. “.
Care este această caracteristică? Faptul că în întreaga parte din jur a universului vizibil pentru noi, legile și constantele naturii sunt exact ceea ce este necesar pentru apariția vieții și antropurile ca „coroana” ei.
Cu alte cuvinte, am apărut într-un loc atât de special (din punctul nostru de vedere) în univers, unde numai noi puteam apărea. Dacă presupunem că există multe alte colțuri în univers pe care nu le vedem, atunci este foarte posibil ca legile și constantele naturii să fie diferite acolo, viața și omul nu ar putea apărea acolo și, prin urmare, nimeni nu se poate întreba de ce legile naturii sunt în jurul lui sunt astfel încât să excludă apariția ei.
Astfel, răspunsul la întrebarea noastră fundamentală se rezumă la faptul că existăm, deoarece, printr-o coincidență incredibil de fericită în partea noastră a universului, s-au dezvoltat exact astfel de legi și constante ale naturii, care s-au dovedit a fi ajustate în mod ideal la posibilitatea apariției noastre.
Această formulare a principiului antropic a fost numită ulterior slabă, deoarece este posibil să se facă o afirmație mai puternică, care se numește principiul antropic puternic. Conform acestui principiu, nu există alte părți sau locuri în univers - totul și imediat a apărut astfel încât legile și constantele sale să fie aceleași peste tot și pretutindeni să fie ajustate cu exactitate la posibilitatea apariției vieții și a rațiunii. Acest lucru sună mai logic decât afirmația despre „diferite locuri” ale universului cu „legi diferite” (de ce ar fi dintr-o dată ?!). Dar, sub această formă, principiul antropic seamănă puternic cu poveștile despre crearea deliberată (divină) a întregului univers de dragul omului și, prin urmare, majoritatea oamenilor de știință au refuzat cu hotărâre să-l accepte. Cu toate acestea, faptul de a se potrivi bine a fost evident și a trebuit să fie explicat. Linde a fost unul dintre puținii care au încercat cu seriozitate,adică, cu ajutorul unor calcule teoretice riguroase, verificați: ar putea exista într-adevăr astfel de scenarii pentru nașterea universului care să explice această potrivire?
Permiteți-mi să vă reamintesc că scenariul original al Big Bang-ului s-a născut aproape imediat după ce Einstein a creat teoria generală a relativității, care a conectat gravitația cu proprietățile spațiului și timpului. Einstein credea că universul este întotdeauna într-o stare staționară, iar gravitatea tuturor corpurilor sale este echilibrată de un fel de câmp izbucnit (astăzi se numește câmpul energiei întunecate).
Dar, după câțiva ani, Hubble a descoperit că universul se extinde de fapt (toate galaxiile se îndepărtează unele de altele) cu o anumită viteză mică, dar vizibilă, ca și cum toate aceste galaxii ar fi primit cândva un anumit impuls inițial și continuă să se miște prin inerție (astăzi se știe că câmpul energiei întunecate chiar accelerează această mișcare). Acest impuls inițial a fost numit Big Bang (astrofizicianul Hoyle l-a botezat în mod derizoriu Big Bang - „Big Clapperboard”).
Teoria Big Bang a descris foarte bine nașterea și dezvoltarea universului. Ea a susținut că universul a apărut ca o mulțime de plasmă extrem de fierbinte și densă, care s-a extins treptat (împreună cu spațiul său) și s-a răcit treptat.
Inițial, materia sa nu a putut fi împărțită în materie și energie, dar pe măsură ce s-a răcit, au început să apară câmpuri de forță (de energie) (separate una de cealaltă) - nucleare, slabe, electromagnetice și, alături de ele, particule care le corespund - quark-uri, electroni, neutrini, etc. Și în cele din urmă (teoria a indicat că la aproximativ 380 de mii de ani de la explozie) universul s-a răcit atât de mult, încât cantitatea de energie nu a spart atomii nou-născuți, iar apoi substanța a căzut din plasma generală.
Un atom (vid) a rămas între atomi, care a fost umplut cu radiații electromagnetice de o intensitate enormă. Atomii au început să se lipească în grupuri de materie (formând în cele din urmă primele stele și galaxii), iar radiația reziduală a continuat să se răcească, adică de la lungimi de undă foarte scurte să devină lungimi de undă din ce în ce mai lungi (atât din cauza pierderii de energie în coliziunile cu materia, cât și ca urmare a întinderii undelor din pentru extinderea continuă a spațiului) și acum s-a răcit până la 3 grade Kelvin (lungimea sa de undă este deja de câțiva milimetri). A fost numită radiație cosmică reziduală sau relictă.
Această imagine zveltă și impresionantă a fost confirmată genial când Penzias și Wilson au descoperit doar o astfel de radiație cu o temperatură de 2,7 Kelvin și ajungând pe Pământ din toate părțile cerului, adică umplând întregul univers. Dar, odată cu confirmarea, a venit o altă întrebare, pentru că s-a dovedit că această radiație este uniformă, adică are aceeași temperatură în toate direcțiile, adică în întregul univers. Cum poate fi? Teoria spune că Big Bang s-a întâmplat acum 13,7 miliarde de ani. Aceasta înseamnă că radiațiile relicve au fost formate în urmă cu aproximativ 13,3 miliarde de ani.
Cele mai îndepărtate puncte de la care această lumină poate veni astăzi pe Pământ pot fi la 13,3 ani-lumină distanță, ceea ce înseamnă că distanța dintre două astfel de puncte de pe laturile opuse ale cerului este de 26,6 miliarde de ani lumină. Nicio energie nu s-ar putea deplasa dintr-un astfel de punct în altul, deoarece pentru aceasta ar trebui să se miște cu două ori viteza luminii, ceea ce este imposibil. Între timp, măsurătorile efectuate de Penzias și Wilson au arătat că aceste două puncte emit radiații reziduale cu aceeași temperatură, ceea ce înseamnă că se află într-o stare de echilibru termic.
Această ciudățenie a fost numită problema orizontului (deoarece ambele puncte de mai sus sunt la marginea, sau la orizont, a universului de azi). În încercarea de a rezolva această problemă, Alan Guth a lansat în 1981 ideea inflației (inflația se traduce și prin „inflație”, „umflare”), conform căreia cheagul inițial de plasmă rezultat din Big Bang era mic și, prin urmare, toate părțile sale puteau schimbând energie, ajungeți la aceeași temperatură.
Și apoi, într-un timp monstruos de scurt (10 până la minus 35a putere de secundă), a existat o inflație scurtă, dar monstruos de rapidă a spațiului universului, care a crescut până la dimensiunile sale aparente actuale (10 până la a 23-a putere de km). Nu merită să încercați să vizualizați aceste numere. Rata acestei inflații a depășit de neimaginat viteza luminii (care, cu toate acestea, nu a încălcat principiul limitei vitezei luminii, deoarece nu a existat o transmisie a semnalului prin spațiu, ci extinderea spațiului în sine).
Și, desigur, în această perioadă, toate părțile universului nu și-au putut schimba starea și, prin urmare, au rămas peste tot într-o stare de echilibru termic unele cu altele.
Teoria inflaționistă a lui Guth a rezolvat mai mult decât doar problema orizontului. În același timp, ea a explicat de ce universul observat ne apare în medie (adică la distanțe foarte mari) practic omogen și plat (adică una în care sunt îndeplinite legile geometriei euclidiene și nu, să zicem, legile geometriei sferice ale lui Riemann sau ale geometriei hiperbolice a lui Lobachevsky).
Aproximativ vorbind, inflația a „rostogolit” „covorul” rulat din spațiul universal, îndepărtând cele mai mici abateri de la avion și făcându-l euclidian, iar universul în sine - omogen.
(Pentru a fi strict, de dragul meu, în vremea noastră, descoperirea materiei întunecate, care în univers este de câteva ori mai mult decât de obicei, a ridicat din nou problema de planeitate și uniformitate pentru oamenii de știință, de vreme ce s-a dovedit că materia întunecată este distribuită în spațiu diferit decât de obicei, vizibil. a dat naștere unor teorii inflaționiste mai complexe, dar nu au nicio legătură cu istoria principiului antropic din cosmologie.)
Care a fost cauza principală a Big Bang-ului și inflația ulterioară? Potrivit lui Guth, totul a început cu fluctuațiile cuantice ale vidului. Aproximativ vorbind, în fizica cuantică, un vid nu este un gol, ci o stare specială a unui anumit câmp în care pot apărea fluctuații de energie. O astfel de vibrație pentru o perioadă scurtă de timp mărește energia câmpului, iar atunci apare o stare instabilă numită vid fals.
O astfel de stare se dezintegrează extrem de repede, adică revine la normal, dar în anumite condiții, o bucată de spațiu în care a apărut un vid fals și apoi dezintegrat poate folosi energia care a apărut brusc în ea pentru expansiunea sa frenetică, cu alte cuvinte, pentru inflație. Potrivit lui Guth, tocmai un astfel de proces a dat naștere universului pe care îl observăm și s-a desfășurat într-o zonă atât de microscopică și, prin urmare, omogenă și de echilibru, încât universul care a pornit din el s-a dovedit, așa cum am spus deja, omogen și echilibru.
Mai mult, site-ul inițial era atât de mic încât legile fizicii din el erau aceleași peste tot - așa că în universul umflat instantaneu au rămas acelea peste tot. Și faptul că, în același timp, s-au dovedit a fi favorabili pentru apariția vieții și a rațiunii este deja o coincidență pură. Răspunsul, în esență, repetă un principiu antropic puternic, oferindu-i un fundament științific riguros.
Această concluzie a fost inacceptabilă pentru Linde și a încercat să generalizeze teoria lui Guth. El a respins presupunerea sa de microscopicitate și, prin urmare, omogenitatea zonei inițiale în care a apărut vidul fals și a investigat (teoretic, bineînțeles) ce s-ar întâmpla dacă luăm în considerare o zonă suficient de mare de spațiu, care cu siguranță nu ar putea fi nici omogenă, nici echilibru energetic.
Calculele l-au dus la rezultate neobișnuit de interesante. S-a dovedit că, în acest caz, fluctuațiile cuantice ale vidului fals pot să apară în diferite locuri ale acestei zone la momente diferite și cu intensități diferite. Din această cauză, unele locuri se vor umfla la o rată inflaționistă, în timp ce altele nu se vor extinde deloc sau vor înceta să se extindă mai devreme. Nu va apărea un singur univers, ca în teoria lui Guth, ci o mulțime de universuri, fiecare la fel de mare ca unicul Guth.
Și de vreme ce acest grup de universuri (similar cu universul, Linde l-a numit multivers, adică ceva ca un „multivers”) s-a născut dintr-o stare haotică de vid și în tulburare haotică, va fi el însuși haotic, adică este imposibil de indicat vreunul momentul nașterii, în fiecare dintre compartimentele sale (în fiecare univers separat), vor exista cu siguranță propriile legi ale spațiului, timpului și naturii, în conformitate cu principiul antropic slab.
Noua teorie se numește inflație haotică. Dezvoltându-l, Linde, în lucrarea sa din 1986, a arătat că în compartimentele în creștere rapidă ale multiversului, ar trebui să apară fluctuațiile cuantice ale vidului și ale altor câmpuri, ceea ce ar trebui să conducă la o inflație continuă și nesfârșită a unor astfel de locuri în aceste compartimente, astfel încât multiversul să se reproducă la nesfârșit.
Acest proces nu are nici un început și nici un sfârșit și, prin urmare, Linde a numit acest nou scenariu grandios teoria inflației haotice eterne. Această inflație infinită va fi de asemenea haotică, în sensul că toate compartimentele noi care apar în compartimente diferite (sunt și universuri) (sunt universuri noi și noi), în principiu, ar trebui să aibă geometrii diferite (inclusiv un număr diferit de dimensiuni ale spațiului), proprietăți diferite timp și diferite tipuri de particule și câmpuri.
Deci, este posibil ca multe dintre ele să aibă, să zicem, șase dimensiuni spațiale sau să nu conțină particule de materie și așa mai departe. (Desigur, este, de asemenea, destul de probabil ca mulți dintre ei - și numărul lor este infinit - să fie destul de potriviți pentru apariția vieții și a rațiunii, deși fiecare în timpul propriu, nu neapărat coincide cu ceilalți.)
Și acum Linde afirmă (și Guth și-a exprimat deja acordul cu el) că noile date despre undele gravitaționale coincid cel mai bine cu previziunile acestei teorii a sa.
După cum am spus, dacă cuvintele sale vor fi confirmate în sfârșit, știința va primi în sfârșit un răspuns cu privire la motivul pentru care existăm deloc. Pentru că în procesul fără sfârșit și etern al apariției haotice a universurilor din ce în ce mai noi, cu legi și constante din ce în ce mai noi, într-o zi (și mai mult de o dată), trebuie să apară una în care apariția vieții și a rațiunii au devenit posibile. Aceasta va fi o victorie științifică imensă, dar, desigur, numai în cadrul fizicii și cosmologiei. Pentru un răspuns complet la întrebarea de ce existăm, necesită, desigur, și o explicație biologică a modului în care viața ar putea să apară din materia „moartă” și să se dezvolte înainte de apariția rațiunii.
Biologia nu poate explica încă apariția vieții fără echivoc. Ea se ocupă imediat de problema „puiului și oului” aici. Proteinele sunt necesare pentru a reproduce primul ADN, iar ADN-ul este necesar pentru a produce primele proteine.
Ei încearcă să se confrunte cu această dificultate, postulând că moleculele speciale, ARN, au fost primele care au apărut, care au fost capabile să catalizeze propria reproducere. Această cataliză a dus la apariția unei lumi întregi de ARN-uri diferite, din care selecția naturală a început să selecteze material pentru complicații suplimentare. Dar existența unei astfel de autocatalize nu a fost încă dovedită pe deplin și, cel mai important, nu este clar de ce selecția tuturor celor mai bune ARN-uri ar fi trebuit să conducă la apariția de proteine (sau ADN). Biologia modernă întâmpină, de asemenea, dificultăți în explicarea dezvoltării ulterioare a vieții.
Ea explică acest proces prin teoria lui Darwin, în care evoluția este prezentată ca un proces lent, gradual și continuu de acumulare și selecție a micilor modificări aleatoare (mutații) la gene, care apoi găsește expresia în schimbări la fel de mici în organismele în ansamblu. În acest fel, teoria susține că, de la prima celulă vie, au început să se dezvolte diverse tipuri de celule, crescând ca ramuri ale unui copac, apoi împărțite în tipuri de organisme și mai numeroase și așa mai departe până la persoana care a încununat acest „copac al vieții”.
Cu toate acestea, în ultimele decenii, s-au acumulat multe fapte noi, ceea ce indică faptul că, în realitate, acest proces nu a fost continuu. Mai degrabă, a fost o evoluție intermitentă, în care perioade scurte de apariție rapidă a noilor organisme într-o formă aproape terminată au fost înlocuite cu perioade lungi de ajustare a acestora fine și fragmentare mai fină în subspecii (Eldridge și Gould au numit acest proces punctat evoluție).
Mulți autori au încercat deja să facă aceste ajustări la teoria lui Darwin, dar de curând a apărut prima ipoteză generalizatoare și foarte radicală, care „corectează” Darwin cu ajutorul lui Linde!
Această ipoteză aparține biologului modern remarcabil Evgeny Kunin de la Institutele Naționale de Sănătate din Bethesda (SUA). A fost descris pe deplin de el în cartea sa recentă „Logica aleatoriei”, și înainte de asta - în două articole cu foarte remarcabile, după cum veți vedea acum, titluri: „Modelul cosmologic al inflației eterne și tranziția de la aleatorie la evoluția în istoria vieții” și „Modelul marelui biologic” explozie pentru principalele momente de tranziție ale evoluției”. În primul articol, Kunin spune ceva de genul: „Modelul inflației veșnice, în contrast cu modelul cosmologic tradițional al unui singur univers unic, presupune că toate seturile posibile de condiții fizice inițiale pot apărea la întâmplare și se pot repeta de nenumărate ori în compartimente diferite ale multiversului.
Prin urmare, acest model indică și posibilitatea unui număr infinit de sisteme cele mai complexe care apar la întâmplare în diferite astfel de compartimente, chiar dacă probabilitatea apariției de o asemenea complexitate în fiecare compartiment separat este extrem de mică. Viața pe Pământ nu face excepție de la această regulă. Existăm pentru că în compartimentul nostru din multivers, din întâmplare, întregul set de molecule care asigurau atât reproducerea ADN-ului, cât și construcția proteinelor cu ajutorul acestuia au apărut deodată. Teoria inflației veșnice spune că într-un multivers etern și fără încetare de auto-multiplicare, apariția unui astfel de accident (ca oricare altul) era necesară, astfel încât evoluția darwiniană nu necesită nicio lume ARN și este, în esență, o consecință inevitabilă a principiului antropic.
În introducerea celui de-al doilea articol, Kunin scrie: „În toate etapele principale ale evoluției biologice, se repetă același scenariu de apariție bruscă a diferitelor forme vii cu un nou nivel de complexitate. Acesta a fost cazul apariției primelor molecule vii (ARN și proteine), a celor mai importante grupuri de virusuri, a două clase de protozoare (arheea și bacteriile), fondatorii super-familiei de eucarite (celule cu nucleu) și a tuturor familiilor de animale. S-ar putea crede că toate aceste puncte sunt locuri de tranziție de la o etapă, explozivă, de dezvoltare evolutivă la alta, treptată. Prima fază inflaționistă generează foarte repede o mare varietate de noi oportunități pentru schimbul de informații genetice (transfer orizontal de gene, recombinare, fuziune, divizare etc.), în timp ce în a doua fază, noi forme de viață apărute în acest fel încep să se dezvolte și să se ramureze. Acest proces seamănă cu nașterea unui nou univers în teoria inflației eterice haotice, unde, ca urmare a expansiunii rapide (de obicei numită Big Bang), se naște un nou compartiment al multiversului, care începe să se dezvolte în continuare conform legilor sale interne. Prin urmare, am numit tranzițiile de fază prezentate mai sus în istoria vieții „Big Bangs biologice”.
Ambele articole continuă cu o analiză detaliată și o dovadă a ipotezelor prezentate în ele, însă reîncărcarea lor necesită o poveste separată și nu putem decât să sperăm că soarta ne va permite să revenim la acest lucru. Deocamdată, voi spune doar: ideile amețitoare ale științei moderne dezvăluie adâncimi fără fund, iar natura, aparent, nu în zadar a încercat atât de mult, creând acest instrument al cunoașterii sale de sine.
Raphael Nudelman
