Antropisk princip

Den antropiska principen  är argumentet "Vi ser universum så här, för bara i ett sådant universum kunde en observatör, en person , ha uppstått " . Denna princip föreslogs för att förklara från en vetenskaplig synvinkel varför det i det observerbara universum finns ett antal icke-triviala relationer mellan grundläggande fysiska parametrar som är nödvändiga för existensen av intelligent liv .

Olika formuleringar

Ofta finns det starka och svaga antropiska principer [1] .

En variant av stark AP är APU (Anthropic Participation Principle) formulerad 1983 av John Wheeler [4] [5] :

Observatörer är nödvändiga för att uppnå universum av vara

Originaltext  (engelska)[ visaDölj] Observatörer är nödvändiga för att skapa universum

Skillnaden mellan dessa formuleringar kan förklaras på följande sätt: den starka antropiska principen gäller för universum som helhet i alla stadier av dess utveckling, medan den svaga endast gäller för de regioner och de perioder då intelligent liv teoretiskt kan uppträda i det. En svag princip följer av en stark princip, men inte vice versa [6] .

Formuleringen av den antropiska principen bygger på antagandet att de naturlagar som observeras i vår tid inte är de enda som verkligen existerar (eller har funnits), det vill säga Universum med andra lagar måste vara verkliga [7] . Fysiker har utforskat flera alternativ för att placera alternativa universum i rum och tid [8] [9] :

Historik

Termen "antropisk princip" föreslogs först 1973 av den engelske fysikern Brandon Carter [1] . Men, som vetenskapshistoriker har upptäckt, har själva idén uttryckts upprepade gånger tidigare. Den formulerades först uttryckligen av fysikern A. L. Zelmanov 1955 och vetenskapshistorikern G. M. Idlis vid All-Union Conference on Problems of Extragalactic Astronomy and Cosmology (1957) [10] . 1961 publicerades samma tanke av R. Dicke [11] .

Brandon Carter, i ovanstående artikel från 1973, formulerade också starka och svaga versioner av den antropiska principen. Carters artikel aktualiserade ämnet, med åsikter uttryckta inte bara av fysiker utan av många andra, från journalister till religiösa filosofer. 1986 publicerades den första monografin: J. D. Barrow och F. J. Tipler , "The Anthropic Cosmological Principle", där G. M. Idlis prioritet erkändes [12] . 1988 hölls den första vetenskapliga konferensen tillägnad den antropiska principen i Venedig ; I framtiden berördes den antropiska principen ständigt både i specialiserade forum och i diskussionen om grundläggande frågor om fysik, kosmologi, filosofi och teologi.

De förhållanden som är nödvändiga för att skapa liv

De numeriska värdena för många dimensionslösa (det vill säga inte beroende av enhetssystemet) grundläggande fysikaliska parametrar, såsom massförhållandena för elementarpartiklar , dimensionslösa konstanter för grundläggande interaktioner , verkar inte vara föremål för någon regelbundenhet. Det visar sig dock att om dessa parametrar bara skilde sig från deras observerade värden med en liten mängd, kunde inte intelligent liv (i den mening vi är vana vid) bildas.

Dimension av utrymme

Först och främst är det slående att den mångfald av fenomen som vi observerar endast kan uppstå i tredimensionell rymd. Så för en rymddimension på mer än tre, när man antar Newtons gravitationslag, är stabila banor för planeter i stjärnornas gravitationsfält omöjliga. Dessutom, i det här fallet, skulle materiens atomstruktur också vara omöjlig (elektroner skulle falla på kärnor även inom ramen för kvantmekaniken ). Det är när antalet dimensioner är fler än tre som kvantmekaniken förutsäger ett oändligt energispektrum för en elektron i en väteatom, vilket tillåter både positiva och negativa energivärden. Vid dimensioner mindre än tre skulle rörelsen alltid ske inom ett begränsat område. Endast när är både stabila ändliga och oändliga rörelser möjliga [13] .

Ovanstående argument avser fallet med icke-relativistisk behandling av problemet. Om vi ​​försöker utvidga den allmänna relativitetsteorin som en modern gravitationsteori till rum-tid med ett annat antal rumsliga dimensioner, så är bilden omvänd: med två rumsliga dimensioner kan gravitationsmässigt samverkande kroppar under inga omständigheter bilda ett sammanhängande system (detta har länge varit känt inom allmän relativitetsteori och upptäcktes på 1960-talet, se kosmiska strängar ) [14] , och när antalet dimensioner av rymden är större än tre är gravitationsinteraktionen tvärtom så stark att den tillåter inte kroppars oändliga rörelse. Således är den begränsande övergången av den allmänna relativitetsteorin till den Newtonska gravitationsteorin möjlig endast inom tre dimensioners rymd.

Det är också intressant att standardmodellen för partikelfysik , baserad på teorin om Yang-Mills fält, inte är renormaliserbar i ett utrymme med mer än tre dimensioner.

Massor av elektronen, protonen och neutronen

Den fria neutronen är tyngre än proton + elektronsystemet , varför väteatomen är stabil. Om neutronen var minst en tiondels procent lättare skulle väteatomen snabbt förvandlas till en neutron. Om massan av en elektron översteg skillnaden mellan massorna av en neutron och en proton, skulle den kemiska sammansättningen av universum förändras radikalt. Det skulle sakna väte, och därför, stjärnor i deras vanliga mening, liv [15] .

Existens av deuteron och icke-existens av diprotonen

Det är känt att för bildandet av ett bundet tillstånd av två partiklar (i vanligt, tredimensionellt utrymme) är det nödvändigt inte bara att de attraherar utan också att denna attraktion är tillräckligt stark. Attraktionen mellan en proton och en neutron är nästan "på kanten": deras bundna tillstånd ( deuteron ) existerar, men det är svagt bundet och har därför ganska stora geometriska dimensioner. Detta leder till det faktum att reaktionen av att bränna väte i stjärnor är mycket effektiv. Om kraften i proton-neutroninteraktionen var mindre, skulle deuteronet vara instabilt och hela kedjan av väteförbränning skulle avbrytas. Om kopplingskonstanten var märkbart starkare, skulle storleken på deuteronet vara mindre, och förbränningsreaktionen skulle inte vara så intensiv. I båda fallen skulle det visa sig att stjärnorna skulle brinna mindre intensivt, vilket inte kunde annat än påverka livet.

Å andra sidan är det känt att två protoner inte kan bilda ett bundet tillstånd: den starka interaktionen, även om den överskrider Coulomb-barriären , är fortfarande inte tillräckligt stark. Om den starka kraftkonstanten var något större skulle diprotoner (heliumkärnor med massan 2) vara stabila partiklar. Detta skulle sannolikt få katastrofala konsekvenser för universums utveckling: under dess allra första dagar skulle allt väte brinna ut till helium -2, och den fortsatta existensen av stjärnor skulle vara omöjlig [16] [17] .

Resonans i kärnan av kol-12

Enligt den vanliga kosmologiska modellen , omedelbart efter Big Bang , var materia i universum nästan helt i form av väte och helium . Heliumkärnor själva är praktiskt taget stabila, och därför är det inte alls självklart att tyngre grundämnen ska bildas i stora mängder i processen att bränna stjärnor. Faktum är att redan i det första skedet finns det ett hinder: två heliumkärnor bildar inte en stabil beryllium-8 kärna (denna nuklid sönderfaller på 10 −18 s). Det finns inga stabila kärnor med massatalet A = 5, som skulle kunna bildas genom fusion av en alfapartikel med en proton eller neutron. I princip kan tre helium-4 kärnor bilda en stabil kol-12 kärna , men sannolikheten för att tre alfapartiklar ska kollidera samtidigt är så liten att, utan hjälp utifrån, skulle hastigheten för en sådan reaktion vara försumbar för bildandet av en betydande mängd kol, även på astronomiska tidsskalor.

Rollen för sådan hjälp utifrån spelas av resonansen (exciterat tillstånd) av kol-12 med en energi på 7,65 MeV. Genom att vara praktiskt taget degenererad i energi med tillståndet av tre alfapartiklar, ökar den radikalt reaktionstvärsnittet och påskyndar processen med heliumförbränning. Det är tack vare honom som tunga grundämnen bildas i slutskedet av stjärnutvecklingen, som efter en supernovaexplosion sprids i rymden och sedan bildar planeter.

I princip är förekomsten av kärnresonanser inte förvånande. Endast ett slumpmässigt ("valt") numeriskt värde för resonansexciteringsenergin är verkligen ovanligt. Så, i H. Oberhummers verkA. Csoto och H. Schlattl, Science 289, 88 (2000); Kärnfysik A 689, 269c (2001) ( nucl-th/9810057 ) visar att om nukleon-nukleon-kopplingskonstanten skiljde sig med minst 4 % skulle nästan inget kol bildas i stjärnor.

I allmänhet, med tanke på ovanstående argument, finns det en känsla av att allt i universum är "inrättat" så att livet kan bildas och existera under lång tid. Denna känsla används som ett argument av kreationister och anhängare av teorin om intelligent skapelse . Men matematikern M. Ikeda och astronomen W. Jefferis hävdar att denna känsla är resultatet av en felaktig intuitiv uppskattning av betingade sannolikheter .

Parametrar för den elektrosvaga interaktionen

V. Agrawal et al., Physical Review D57 (1998) 5480-5492 ( hep-ph/9707380 ) visade att för att bilda tillräckligt komplexa uppsättningar av kemiska element krävs att medelvärdet för Higgsfältet i den elektrosvaga teorin inte överstiger det observerade värdet ( GeV) mer än fem gånger.

Problemet med initiala värden i kosmologi

Stöd och kritik av den antropiska principen i modern fysik

Ett antal fysiker har gjort försök att härleda den antropiska principen från olika fysiska överväganden. En kort översikt över sådana modeller ges i artikeln av A. D. Linde [18] .

Andra forskare noterar att existensen av universum (eller delar av universum) med olika fysiklagar, på vilka både den antropiska principen och modellerna som innehåller den är baserade, har inga experimentella bevis. Nobelpristagaren Steven Weinberg konstaterade att den antropiska principen "har en något tveksam status inom fysiken" eftersom "den svaga punkten med en sådan tolkning av den antropiska principen är vagheten i begreppet ett flertal universum" [8] . Han anmärkte ironiskt att "om alla dessa universum är oåtkomliga och omöjliga, verkar påståendet om deras existens inte vara vettigt, förutom för att undvika frågan om varför de inte existerar" [19] . Weinberg menar att den antropiska principen, om den finns kvar i fysiken, bara är att förklara en enda parameter: den kosmologiska konstanten [8] . En annan nobelpristagare, David Gross , anser att den antropiska principen bara visar vår oförmåga att svara på svåra frågor [20] .

Enligt G. E. Gorelik tillhör "den antropiska principen i huvudsak ännu inte fysiken, utan till metafysiken " [21] . Akademikern L. B. Okun betraktar båda typerna av antropiska principer som spekulativa, men förtjänar att diskuteras [3] . Den amerikanske kosmologen Alex Vilenkin sa: "Den antropiska förklaringen till finjustering är ovetenskaplig... Den antropiska principen kan bara tjäna till att förklara vad vi redan vet. Den förutsäger aldrig någonting och kan därför inte verifieras . Lee Smolin , författaren till en av de alternativa teorierna (se nedan) [23] håller med om detta . Också värt att notera[ varför? ] att den antropiska principen inte förklarar exakt hur det finstämda universum kom till , utan bara presenterar det faktum att det existerar.

Alternativ

Kritiker av den antropiska principen brukar påpeka att om de grundläggande fysiska konstanterna inte är oberoende, så försvinner behovet av den antropiska principen, eftersom möjligheten för flera universum försvinner. Andra alternativ har också föreslagits. I synnerhet fortsätter det vetenskapliga samfundet att diskutera den ursprungliga idén om "multiplikation av universum" ( fecunduniversum , det kallas också teorin om "kosmologiskt naturligt urval", CNS, Cosmological Natural Selection ), som lades fram av Den amerikanske fysikern Lee Smolin .

Enligt denna hypotes, "bortom" det svarta hålet , uppstår ett nytt universum, där de grundläggande fysiska konstanterna kan skilja sig från värdena för universum som innehåller detta svarta hål. Intelligenta observatörer kan dyka upp i de universum där värdena för de grundläggande konstanterna gynnar livets uppkomst. Processen liknar mutationer och urval under den biologiska evolutionens gång [24] . Smolin publicerade en detaljerad beskrivning av sin hypotes i boken "The Life of the Cosmos" ( The Life of the Cosmos , 1999) [25] . Enligt Smolin är hans modell bättre än den antropiska principen när det gäller att förklara " finjusteringen av universum " som är nödvändig för livets uppkomst, eftersom den har två viktiga fördelar:

  1. Till skillnad från den antropiska principen har Smolins modell fysiska konsekvenser som är experimentellt verifierbara.
  2. Livet i flera universum uppstår inte slumpmässigt, utan naturligt: ​​fler "ättlingar" under urvalet har de universum vars parametrar leder till uppkomsten av ett större antal svarta hål, och samma parametrar, enligt Smolin, gynnar möjligheten om livets ursprung.

Ett antal fysiker och filosofer var ganska skeptiska till Smolins idé [26] [27] . Smolins motståndare var den välkände kosmologen Leonard Susskind , som trots detta värderade denna hypotes ganska högt [28] . Diskussionen av Smolin och Susskind (2004) om den antropiska principens roll i vetenskapen väckte stort intresse i vetenskapssamfundet [29] .

Filosofiska bedömningar

Stanisław Lem skrev att denna princip, bokstavligt taget, förklarar det okända genom det okända, dessutom enligt logiken i en ond cirkel . Med samma anledning kan det argumenteras om vilket föremål som helst att det är han som är "målet" för Universum, och inte människor, till exempel, frimärken , även om deras existens för Universum är helt frivillig [30] .

Den berömda kosmologen Martin Rees observerade att den antropiska principen ensam inte avslöjar grundorsakerna till universums "finjustering":

Jag är imponerad av metaforen om den kanadensiske filosofen John Leslie . Föreställ dig att du står framför en skjutningsgrupp. Femtio personer siktar på dig, men de missar alla. Om någon inte hade missat hade du inte överlevt och kunde inte tänka på det. Men du kan inte bara glömma det - du är förbryllad och kommer att leta efter orsakerna till din fantastiska tur. [31]

Vissa troende vetenskapsmän - till exempel fysikern och filosofen John Polkinhorn - föredrar att betrakta universums finjustering som ett av bevisen på Guds existens [31] .

Den antropiska principen kommer i uppenbar konflikt med Copernicus kosmologiska princip , som säger att platsen där mänskligheten existerar inte är privilegierad, på något sätt särskiljd från andra. Om vi ​​utvidgar begreppet "plats" till hela universum , så är ovanstående relationer mellan de grundläggande konstanterna, som gör existensen av tillräckligt högorganiserad materia möjlig, nödvändiga för uppkomsten av intelligent liv, och följaktligen endast några av ensemblen av möjliga universum är beboeliga; i denna mening är vissa områden i parameterutrymmet markerade. I det vanliga fysiska rymden intar solsystemet också en ganska speciell position - dess bana i galaxen är belägen på den så kallade korotationscirkeln , där rotationsperioden för en stjärna runt galaxens kärna sammanfaller med rotationsperioden av spiralarmar - platser för aktiv stjärnbildning . Således passerar solen (till skillnad från de flesta av stjärnorna i galaxen) mycket sällan genom armarna där nära supernovaexplosioner sannolikt kan få fatala konsekvenser för livet på jorden.

Syntesen av den antropiska principen och den kopernikanska principen är påståendet att områden med möjliga parametrar som är väsentliga för uppkomsten av intelligent liv belyses, medan parametrarna vars specifika värden inte påverkar sannolikheten för uppkomsten av intelligent liv tenderar inte till några speciella värderingar. Så den position som vår galax intar i universum - en av miljarderna spiralgalaxer - framhävs inte av någonting.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Carter B. Sammanfall av stora antal och den antropologiska principen i kosmologi // Kosmologi. Teorier och observationer. M., 1978. S. 369-370.
  2. ↑ ' 'Idlis G. M. // Izv. Astroph. in-ta KazSSR. 1958. V. 7. S. 52.
  3. ↑ 1 2 Okun L. B. Fysikens grundläggande konstanter. Arkiverad 7 juni 2020 på Wayback Machine // Uspekhi fizicheskikh nauk , 161 (9), 1991.
  4. ↑ Wheeler JA Genesis and Observership // Grundläggande problem i specialvetenskaperna. Dordrecht, 1977. R. 27.
  5. ↑ Antropisk princip Arkiverad 27 september 2011 på Wayback Machine 
  6. ↑ Charugin V. M. , Baksansky O. E. Människans plats i universum  // Earth and the Universe . - 1993. - Nr 6 . - S. 73-78 .
  7. ↑ Brian Green . Den dolda verkligheten: parallella universum och kosmos djupa lagar. New York: Alfred A. Knopf, 2011. ISBN 978-0-307-27812-8 .
  8. ↑ 1 2 3 Kapitel IX: Konturer av den slutliga teorin. // Weinberg S. Drömmar om den slutliga teorin. Fysik på jakt efter de mest grundläggande naturlagarna. — M.: LKI, 2008. — 256 sid. ISBN 978-5-382-00590-4 .
  9. ↑ 1 2 Balashov Yu. V., 1990 , sid. 32.
  10. ↑ Idlis G. M. Det observerbara astronomiska universums huvuddrag som karakteristiska egenskaper hos ett beboeligt rymdsystem // Izv. Astroph. in-ta KazSSR. 1958. V. 7. S. 40-53.
  11. ↑ Dicke RH Diracs kosmologi och Machs princip // Nature . 1961 vol. 192. Nr 4801. S. 440-441.
  12. ↑ Barrow JD, Tipler FJ Den antropiska kosmologiska principen. Oxford, 1986.
  13. ↑ Ehrenfest P. Hur visar fysikens grundläggande lagar att rymden har tre dimensioner?
    I boken: Gorelik G. E. Dimension of space: Historical and methodological analysis. - M .: Moscow State Universitys förlag , 1983. - 216 sid. - S. 197-205.
    Översättning av artikeln:
    Ehrenfest P. På vilket sätt blir det uppenbart i fysikens grundläggande lagar att rymden har tre dimensioner? — Proc. Amsterdam Acad., 1917, v. 20, sid. 200-209.
  14. ↑ Lubos Motl. Varför finns det ingen dynamik i 3D generell relativitetsteori? . Hämtad 23 juli 2012. Arkiverad från originalet 23 juli 2012.
  15. ↑ Novikov I. D. Hur universum exploderade. — M .: Nauka , 1988. — 141 sid. — ISBN 5-02-013881-9 .
  16. ↑ Mullan DJ, MacDonald J. . Den antropiska principen och finjustering i universum , Journal of Cosmology, 2011, Vol 13, 4166-4173. Arkiverad från originalet den 11 juli 2020. Hämtad 18 december 2013.
  17. ↑ Bradford RAW Effekten av hypotetisk diprotonstabilitet på universum  // Journal of Astrophysics and Astronomy. - Juni 2009. - T. 30 , nr. 2 . - S. 119-131 . - doi : 10.1007/s12036-009-0005-x .
  18. ↑ Linde A.D. Inflation, kvantkosmologi och den antropiska principen Arkiverad 5 januari 2005 på Wayback Machine . // "Science and Ultimate Reality: From Quantum to Cosmos", för att hedra John Wheelers 90-årsdag. JD Barrow, PCW Davies och CL Harper eds. Cambridge University Press (2003)
  19. ↑ Steven Weinberg. Drömmer om en sista teori. Fysik på jakt efter de mest grundläggande naturlagarna. Kapitel X: På väg mot målet. M.: LKI, 2008. 256 sid. ISBN 978-5-382-00590-4 .
  20. ↑ Gross D. "Jag slår vad om att supersymmetri kommer att upptäckas" Arkivkopia daterad 13 oktober 2011 på Wayback Machine (frågor ställdes av A. G. Sergeev och S. B. Popov ) // Elements.ru , 2006-06-24.
  21. ↑ Gorelik G.E. Sammanträffande av stora antal i kosmologin på 1900-talet. // Weil G. Matematiskt tänkande . - M . : Nauka , 1989. - S.  384 . — ISBN 5-02-013910-6 .
  22. ↑ Antropiska ägodelar (kapitel 13) // Vilenkin A. Många världars värld. Fysiker på jakt efter andra universum = Många världar i ett: Sökandet efter andra universum. — M .: AST , 2018. — 288 sid. — (Fantastiskt universum). - ISBN 978-5-17-111013-0 .
  23. ↑ Lee Smolin. Vetenskapliga alternativ till den antropiska principen Arkiverad 24 maj 2020 på Wayback Machine .
  24. ↑ Lee Smolin. Vetenskapliga alternativ till den antropiska principen. Arkiverad 24 maj 2020 på Wayback Machine 2004
  25. ↑ Lee Smolin. Kosmos liv. - London: Weidenfeld & Nicolson, 1997. - ISBN 0-297-81727-2 .
  26. ↑ John Polkinghorne , Nicholas Beale (2009). Frågor om sanning. Westminster John Knox: 106-111.
  27. ↑ Smart, John M. Evo Devo Universe? // Cosmos & Culture: Cultural Evolution in a Cosmic Context  (Rom.) / Dick, Steven J.; Lupisella, Mark L. - NASA Press. — (NASA History Series). - ISBN 978-0-16-083119-5 .
  28. ↑ Leonard Susskind, Cosmic Natural Selection. . Hämtad 23 juni 2020. Arkiverad från originalet 20 oktober 2020.
  29. ↑ Smolin vs. Susskind: The Anthropic Principle" Arkiverad 15 maj 2009 på Wayback Machine Edge Edge (18 augusti 2004)
  30. ↑ Lem S. Das Katastrophenprinzip. Die kreative Zerstörung im Weltall [= Destruktionsprincipen som en kreativ princip. Världen som förintelse]: Aus Lems Bibliothek des 21. Jahrhunderts . – Frankfurt am Main: Suhrkamp Taschenbuch Verlag, 1983.
  31. ↑ 1 2 Rhys, Martin. Tillfällighet, försyn eller multiversum? // Totalt sex nummer. De stora krafterna som formar universum [= Bara sex siffror: De djupa krafterna som formar universum, 1999]. - M.  : Alpina Publisher, 2018. - S. 195. - 226 sid. - ISBN 978-5-00139-008-4 .

Litteratur

på ryska på andra språk

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger