АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 3. Космософія

Розділ ІІІ. Астрономія як складова культури

Тема 3.2. Людина і Всесвіт

§ 18. Мультивсесвіт

Вступ

Наш Всесвіт придатний для життя, бо ми існуємо в ньому. Якщо припустити, що можуть існувати всесвіти не такі складні, як наш, наприклад, хімічним складом, то виникає запитання — чому наш всесвіт саме такий, який він є.

Цілі вивчення § 18

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти суть антропного принципу; зв’язок між основними фундаментальними сталими й існуванням людини (життям); гіпотезу про існування інших всесвітів; поняття наш всесвіт, Всесвіт, Мультивсесвіт;

• уміти будувати усну чи письмову розповідь на тему про Мультивсесвіт;

• оцінювати унікальність нашого всесвіту.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба повторити матеріал § 17 (ч. 3) і § 29 та § 30 другої частини цього посібника.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Зверніть увагу на те, що в цьому параграфі ми використовуємо поняття Універсум, Всесвіт і наш всесвіт. Перше з них позначає все, що може існувати в природі, друге — увесь світ з усіма видами речовини, випромінювання та полів, що виник після Великого Вибуху і розвивається у просторі й часі. Третє поняття позначає ту частину Всесвіту, яку ми можемо спостерігати з допомогою телескопів. Антропний принцип, який раніше сприймали скептично, нині знаходить дедалі більше прихильників, бо вказує на можливість існування великої кількості (часто кажуть ансамблю) всесвітів з різними фізичними законами. Ця ідея (про множинність всесвітів) суттєво змінює наукову картину світу, в якій Всесвіт вважали єдиним і неповторним.

Пояснювальний текст

Упродовж кількох тисяч років людина вважала Землю центром світу. Після появи теорії Миколи Коперника ці уявлення стали історією. У середині ХХ ст. астрономи вже знали, що Сонце — пересічна зоря однієї з галактик нашого всесвіту. Нині в астрономії розглядають уявлення, згідно з якими наш всесвіт є одним з багатьох інших у Мультивсесвіті (часто використовують інший термін — Мультиверс, від анг. Multiverse).

п. 1. Антропний принцип. 1973 р. на симпозіумі, присвяченому 500-річчю від народження Коперника, астрофізик Брандон Картер виступив з доповіддю про те, що незвичний збіг значень низки (до 30) незалежних одна від одної фізичних сталих не випадковий. Він уможливлює утворення складних структур різних масштабів — від вірусів і бактерій до галактичних скупчень. Картер висловив припущення — існування людства свідчить про те, що закони Всесвіту цьому сприяють, і назвав свою ідею антропним принципом (від грец. anthropos — людина).

Картер сформулював антропний принцип так: «Очікувані результати спостережень мають бути обмежені умовами, які потрібні для нашого існування як спостерігачів». Це означає, що закони природи в якомусь сенсі спеціально обрані так, щоб допустити наше існування.

Розгляньмо кілька прикладів збігу значень фізичних величин, що є критичними для існування нашого світу. Позитивно заряджені протони лише на 0,14% легші за нейтрони, що не мають електричного заряду, і ця різниця приблизно вдвічі більша, ніж маса електрона. Надлишок маси дозволяє вільному нейтрону спонтанно виділити електрон (і антинейтрино), перетворившись на протон. А ось протон не може самовільно стати нейтроном — йому для цього потрібно десь узяти додаткову масу. Саме тому протони стійкі, а нейтрони — ні. Якби маса протона була лише на чверть відсотка більшою, ситуація стала б кардинально іншою. У нашому всесвіті не було б водню, адже його ядра — це окремі протони. Без водню не спалахнули б зорі, не утворились би важкі елементи (§ 23, п. 3, ч. 2) і, звісно, в такому нейтронному світі не було б життя.

Другий приклад. Якби гравітаційна стала зменшилася в кілька разів, то це не позначилося б на властивостях атомів і молекул, але у Всесвіті не було б ні зір, ні галактик, адже сила тяжіння була б замалою для їх формування із хмар водню. Якби навпаки, гравітаційна стала збільшилася в кілька разів, сила тяжіння була б завеликою й розширення Всесвіту швидко змінилось би на стискання, так що життя в ньому не встигло б розвинутись до високого рівня.

Життя на Землі існує на вуглецевій основі. Водночас утворення вуглецю в надрах зір залежить від величини сталої тонкої структури (, що визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії. Якби значення (α » 1/137) цієї константи було меншим на 15%, то зорі виробляли б занадто мало вуглецю, і його б не вистачило для утворення складних вуглецевих структур.

Такі співзалежності між значеннями фізичних величин відомі науковцям вже кілька десятиліть. Але ще донедавна ніхто не замислювався над тим, чому це так. Тільки після доповіді Картера про антропний принцип на це звернули увагу. Хоча більшість астрономів і космологів спершу вважали цей принцип ненауковим, бо він нібито свідчив про творіння нашого всесвіту вищою силою. Але Картера спочатку підтримав і став пропагувати королівський астроном Мартін Ріс, пізніше — Стівен Вайнберг (один з видатних фізиків- теоретиків ХХ ст.), а згодом й інші науковці.

Нині розглядають антропний принцип у двох варіантах — слабкому і сильному. Сильний антропний принцип, своєю суттю, є іншим формулюванням принципу біологічного детермінізму (життя є неодмінним атрибутом нашого всесвіту). Цей принцип стверджує: «Фундаментальні закони та константи Всесвіту спеціально налаштовані так, щоб міг виникнути спостерігач, який зможе їх осмислити». Згідно зі слабким антропним принципом, за інших значень космологічних параметрів Всесвіту, ніж є (його вік, стала Габбла тощо), життя в ньому могло б і не з’явитися. Приміром, якби Всесвіту було не 14 млрд років, а лише 5, то ще не встигли б утворитися в потрібній кількості хімічні елементи, потрібні для розвитку й еволюції життя у всіх формах. Або: якби Всесвіт не розширювався чи розширювався б повільніше, ніж в сучасну епоху, інтенсивність електромагнітного випромінювання була б занадто високою для існування білкового життя.

Досі багато науковців скептично ставляться до антропного принципу, а окремі з них вважають, що уявлення про важливість тонкого налаштування фізичних констант у нашому всесвіті дуже перебільшені. Якщо змінювати одночасно чотири константи (маси протона і електрона, сталі сильної й електромагнітної взаємодій), що визначають властивості матерії в масштабах від атомів до зір, то можна отримати великий відсоток всесвітів, в яких зорі можуть існувати понад кілька мільярдів років. Тобто межі антропних параметрів не такі вже й малі. Окрім цього, антропний принцип ґрунтується на тому, що спостерігачами нашого всесвіту мають бути якщо не люди, то неодмінно розумні істоти, представники вуглецевої форми життя. Такий підхід до життя у всесвіті вважають «вуглецевим шовінізмом». Зрозуміло, що він сильно зменшує діапазон можливих умов для існування розуму.

Однак антропний принцип знайшов собі пояснення в рамках ідеї про Мультиверсум, тобто про існування величезної кількості всесвітів, окремі з яких випадково є придатними для життя. І вже в таких всесвітах розумні спостерігачі зауважують дивовижне тонке налаштування фізичних сталих.

п. 2. Питання існування інших всесвітів. 1980 р. американський фізик Алан Гут запропонував інфляційну модель (§ 30, ч. 2) виникнення Всесвіту. Її наступне вдосконалення показало, що інфляція приводить до появи великої кількості всесвітів. Сукупність таких всесвітів називають Мультивсесвітом.

Виявилося, інфляція в Універсумі є одвічним явищем. Вона відбувається повсякчас і повсякдень. Безупинно виникають окремі ділянки інфляційного розширення, спричиненого розпадом псевдовакууму. Деякі з них породжують окремі всесвіти. Ми якраз живемо в одному з таких всесвітів. Вічна інфляція породжує велику кількість всесвітів з усіма можливими значеннями базових фізичних сталих.

Хоча Універсум нескінчений, а інфляція вічна, з теорії струн випливає, що енергія всесвітів у Мультивсесвіті має дискретне значення. Це означає, що кількість окремих всесвіті є обмеженою величиною, тобто їх можна порахувати.

У цілому поєднання ідей космологічної інфляції та теорії струн дозволяє припустити, що існує дуже багато ізольованих один від одного всесвітів з різними космологічними сталими і фізичними законами. Це якраз те, що потрібно для обґрунтування антропного принципу.

Питання взаємодії окремих всесвітів, їх співіснування та розміщення в Універсумі поки що лишається відкритим. Згідно з одними уявленнями, ці всесвіти існують на величезних відстанях один від одного, далеко за межами видимої нами частини Всесвіту. Такі думки ґрунтуються на припущенні, що Всесвіт, який виник після Великого Вибуху, в багато разів перевищує ту його частину, яку ми можемо спостерігати в телескопи. А можливо різні всесвіти вміщені один в одного, тобто «менші» в «більші». Ці уявлення ґрунтуються на ідеї відносності фізичних явищ. Інші всесвіти могли б міститися в інших вимірах за умови, що такі додаткові виміри простору-часу існують.

Але якщо окремі всесвіти існують, то як можна це виявити? Прямі спостереження допоки не дають цьому ніяких свідчень, хоча є спроби знайти прояви взаємодії нашого всесвіту з якимсь іншим на ранньому етапі розвитку з аналізу реліктового випромінювання. Більше сподівань покладають на непрямі методи. Один з них пов’язаний з визначенням космологічної сталої Л, що характеризує густину енергії вакууму в нашому всесвіті. Її значення, визначене з астрономічних спостережень, добре узгоджується з передбаченнями, що спираються на концепцію Мультивсесвіту.

Не всі науковці, навіть ті, які розробляють теорію струн, поділяють думку про існування Мультивсесвіту. Вони переконані, що вдасться створити «теорію всього», яка пояснить і існування нашого всесвіту, і антропний принцип, без залучення ідеї про існування інших всесвітів.

Навчальне завдання

• Наведіть аргументи за і проти антропного принципу.

Висновки

Існування людства свідчать про те, що закони нашого всесвіту це допускають. Таку ідею називають антропним принципом. Згідно з уявленнями окремих науковців, принцип указує на можливість існування великої кількості всесвітів з різними фізичними законами. Сукупність цих всесвітів називають Мультивсесвітом.

Запитання для самоперевірки

1. Наведіть 1—2 приклади збігу значень фізичних величин, що є важливими для нашого всесвіту з огляду існування в ньому життя.

2. Поясніть суть антропного принципу.

3. У рамкая якої ідеї і як саме знайшов пояснення антропний принцип?

4. Яке явище спричиняє появу великої кількості всесвітів?

5. Чи можна знайти прямі докази існування окремих всесвітів?

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 18

• Шкловський Й.С. Що було, коли «нічого» не було?

(http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/articles/Shcho-bulo-koly-nichoho-ne-bulo.pdf)

За результатами вивчення § 18 Ви маєте:

знати й розуміти

суть антропного принципу; зв’язок між базовими фундаментальними сталими й існуванням людини (життям); гіпотезу про існування інших всесвітів; поняття наш всесвіт, Всесвіт, Мультивсесвіт; поняття Мультиверсуму.

уміти

будувати усну чи письмову розповідь на тему про Мультиверсум.

оцінювати

унікальність нашого всесвіту.




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити