Космологические принципы

Первый принцип, который сейчас активно обсуждается не только астрономами, но и физиками, — это антропный принцип. Я, например, считаю, что антропный принцип не работает, но об этом мы поговорим чуть позже. Есть космологический принцип, говорящий об однородности и изотропности Вселнной на больших масштабах, и есть принцип фальсифицируемости. Последний, пожалуй, из области философии. Хотя философия является, с моей точки зрения, искусством, и в мировой культуре ее сейчас относят к arts. Есть физический принцип наименьшего действия, а есть принцип заурядности Коперника. Все эти принципы связаны с нашим восприятием жизни: действительно они есть в природе или мы их придумали? Например, когда мы говорим «антропный принцип», сразу создается ощущение чего-то биологического.

Если мы посмотрим, как астрономы придумывают названия, то мы увидим много биологического в этих названиях. Например, черные дыры — это очень даже биологическое название. Оно было запрещено некоторое время назад во Франции. Еще страшнее это звучало, когда была доказана теорема, что черная дыра не имеет волос. Она утверждает, что черная дыра описывается всего тремя параметрами: масса, спин и заряд. От заряда черная дыра быстро избавляется. С одной стороны, это интерпретации теоремы. С другой — если вы попытаетесь сделать бугорчик на черной дыре или ниточку, то черная дыра быстро от них избавится, втянув в себя. Это вы можете прочитать в книжке Кипа Торна об истории черных дыр.

Кроме того, мы знаем, что есть темная материя и темная энергия. Это также непривычные названия в астрономии. Темная энергия — это субстанция, о которой мы не знаем почти ничего. Идея о ее существовании появилась в 1998 году для объяснения того, почему Вселенная расширяется ускоренно. За этим словом не стоит особого физического знания, кроме общего вклада в энергетический баланс Вселенной. У нас есть модели, но мы не можем выделить из них подходящую. Этот термин возник, когда были популярны «Звездные войны». Если же говорить о темной материи, получается, что она темная не потому, что мы о ней не знаем, а потому, что она не взаимодействует со светом.

Термин «Большой взрыв» придумал британский астроном Фред Хойл, для того чтобы разозлить космологов, которые считали, что Вселенная имела начало. Термин прижился, хотя мы знаем, что Большой взрыв совсем не взрыв. Ось зла — в космологии есть и такое понятие. Его название связывают с тем, что Джордж Буш — младший предложил так называть страны, которые лежат вдоль одной линии на карте. Мы можем соединить пятна на карте реликтового излучения самых больших масштабов. Это пятна квадруполи и октуполи, то есть масштабы 90 и 45 градусов. Тогда они будут совпадать и чем-то напоминать то, что указал Буш на карте. Это назвали Осью зла, и название прижилось. Понятно, что в природе нет ни зла, ни добра, Вселенная живет по своим законам.

Есть Великое Ничто (так называемое Холодное Пятно на карте реликтового излучения) — это область в пространстве, в которой подразумевалось, что ничего нет, хотя на самом деле там что-то есть. Термин «эволюция» применяется ко многим объектам, которые эволюционируют в космосе, и ко всей Вселенной, и это биологический термин. Генетический код Вселенной — термин, который ввел Юрий Парийский 25 лет назад, — сразу отсылает нас к биологическому происхождению всей Вселенной, но понятно, что это не биология, а возникновение с некоторого кода, который может привести к эволюции. Антропный принцип — это эгоцентрический принцип, который подразумевает, что Вселенная должна выглядеть именно так, потому что иначе мы не смогли бы ее наблюдать.

Нужно начать с принципа Коперника, или принципа заурядности, согласно которому мы знаем, что Земля не является уникальной во Вселенной. Именно этот принцип сейчас начал обсуждаться, потому что, когда мы видим планеты практически у всех звездных систем, оказывается, что не все планеты находятся там, где нам бы хотелось, чтобы была жизнь. Раз так, получается, что Земля находится в некоторой выделенной зоне. С моей точки зрения, это эффект селекции, потому что мы не видим все планеты размером с Землю сейчас, но, может быть, увидим потом. Если планеты действительно находятся в зоне обитаемости, то принцип заурядности Коперника работает. Солнечная система ничем не выделяется среди остальных. Практически у всех звезд есть планеты. И Вселенной все равно, есть ли мы, что мы о ней думаем. И если наша цивилизация не очень удачная, то будут созданы совершенно другие, и результаты нашей цивилизации будут заурядны. Я бы не хотел, чтобы так случилось, поэтому давайте беречь окружающий мир.

Существует, как я уже говорил, принцип фальсифицируемости Поппера. Я бы сказал, что это один из самых существенных вкладов философов в современную науку. Потому что этот подход позволяет отобрать научные гипотезы, которые имеет смысл рассматривать. Мы не говорим, что научная гипотеза неверна. Мы говорим, что проще работать с той гипотезой, которую можно опровергнуть. И принцип фальсифицируемости говорит, что та гипотеза является научной, которую можно опровергнуть в принципе. Если есть гипотезы, которые вы не можете проверить, то вы их должны рассматривать за пределами науки, а таких гипотез очень много. Например, в искусстве, в теологических и философских приложениях есть много гипотез, которые вы не можете проверить, но можете об этом красиво рассуждать.

Физика, конечно, работает не так. Но мы знаем физико-математические теории, которые тоже нельзя проверить, например, теория струн. В настоящий момент она не удовлетворяет принципу фальсифицируемости, какой бы красивой она ни была. Является она из-за этого ненаучной? Нет, не является. Как и сложные математически неполные теории, которые строятся, но на настоящий момент вам не удается их проверить. Часть математических теорий были проверены на компьютерах и оказалось, что они верны. Еще часть сейчас проверяется.

Другой интересный принцип, который обсуждается и который используется — на мой взгляд, используется неверно и воспринимается неправильно, — это принцип Оккама. Уильям Оккам — монах из некой деревеньки Оккам, который предложил интересную идею, что всякое описание имеет смысл только в том случае, когда описано минимальным количеством сущностей, и не имеет смысла размножать сущности для его объяснения. Представьте себе, что вы имеете сложную систему, которая описывается набором параметров. Часть из этих параметров связаны друг с другом. Вы можете избавляться от этих параметров, если они коррелируют. Это метод главных компонент. Его можно рассматривать как частный случай более широкого математического метода, который называется «метод наименьших квадратов», если вы включаете в этот метод еще и количество свободных параметров как независимую переменную. Соответственно, вы решаете соответствующие функционалы и выводите этот принцип. Монах, который жил в конце XIII — начале XIV века, конечно, ни о какой такой математике не знал. Но идея была абсолютно правильная и логичная.

Любопытно, что в астрономии такие вещи тоже активно используются. Например, вы описываете свойства галактик или свойства систем галактик и видите коррелирующие вещи. Они называются «фундаментальные плоскости». Вы строите пространство параметров и видите, что выделяются плоскости связанных параметров. И вы можете избавиться от ряда только потому, что они коррелируют. В этом плане вы не знаете, это наведенная корреляция из-за систематического эффекта или действительно скрытая корреляция — например, масса черной дыры и излучение газа в линиях. То есть энергия, которая связана с обращающимся вокруг черной дыры газом, который действует на удаленный газ в галактике или на скорость звездообразования. Вы можете эти корреляционные зависимости обнаруживать. Вы можете прологарифмировать, вытащить их и избавиться от связанных параметров. Принцип Оккама, или метод главных компонент, помогает с этим разобраться.

Есть еще другие очень важные принципы. Природа всегда выбирает легчайший путь, как сказал Аристотель. Он описал принцип наименьшего действия, который в жизни связан с очень многими нашими выборами. К нему близко примыкает интересная вещь, связанная с теорией машин времени. Здесь я должен отослать к нашему знаменитому ученому Игорю Дмитриевичу Новикову, именем которого и назван этот принцип — принцип самосогласованности. Вы пишете некоторый функционал действия, который должен быть минимален в том числе и для петель времени, то есть вы никаким образом в нашей Вселенной не можете убить своего дедушку, чтобы не появились вы. Если вы строите машину времени, то она должна соответствовать этому принципу, иначе вы ее не сделаете. Чтобы ее сделать, нужно заниматься еще и кротовыми норами.

Теперь подробно рассмотрим антропный принцип. Он был сформулирован математиком Брэндоном Картером в 1973 году и имеет большое значение в современной космологии для понимания того, как все организовано. У него двойное звучание: есть слабый антропный принцип и сильный. Слабый антропный принцип говорит, что мы можем наблюдать только ту Вселенную, в которой можем существовать. Исходя из нашего существования, мы можем сделать выводы об окружающем нас мире. Сильный антропный принцип уже почти теологический: Вселенная имеет те параметры, чтобы в ней через некоторое время появился наблюдатель.

Если смеяться над антропным принципом, в общем плане можно сформулировать его тавтологически: мы существуем во Вселенной такой, в которой существуем мы. Понятно, что за этими словами ничего не стоит. Если мы рассматриваем множественность вселенных, а именно бесконечное их количество и их возможность рождения в каждой точке определенного набора параметров, который приводит к устойчивой эволюции либо к неустойчивой; если мы рассматриваем это в рамках хаотической теории инфляции, где вселенные возникают в рамках полей, которые генерируются в вакууме и для этого нет никакой причины, то нет смысла объяснять, почему в одной вселенной есть жизнь и люди, а в другой их нет.

Особенность случайных полей такова, что мы всегда можем выбрать вселенную, в которой более-менее удобно появиться жизни. А можем выбрать такую, в которой неудобно. У нас бесконечное количество этих возможностей. В этом плане антропный принцип теряет свое первозданное значение, то есть он становится обыденной вещью, которую мы можем использовать, а можем не использовать.

Я сказал, что, с моей точки зрения, антропный принцип не работает. Для начала разберем, почему он работает. Получается, что наши глаза так здорово устроены, что они видят зеленый цвет с наилучшей чувствительностью, а у Солнца максимум в зеленом излучении. Также мы можем сказать, что у нас есть Луна, которая привела к ускоренной эволюции за счет приливов, и амфибии вышли

на сушу, стали рептилиями, и дальше пошло развитие. А еще в нужный момент по Земле ударил метеорит, чтобы исчезли динозавры и появились наконец люди. И все это очень удачно выходит, а в другом месте этого не было бы. Еще мы можем немного подкрутить физические параметры, изменить гравитационную постоянную, сделать ее сильнее. Тогда Солнечная система схлопнется. Можем ослабить постоянную, и все развалится на части.

Мы можем поиграть с другими параметрами. Британский космолог Мартин Риз, например, выделил шесть параметров — часть из них физические, часть космологические, которые должны привести к появлению жизни человека и без которых мы не можем жить. Один из этих параметров — это плотность темной энергии. Если мы уберем темную энергию, то 6 миллиардов лет назад Вселенная не стала бы расширяться ускоренно, а продолжала замедлять свое расширение и потом стала бы сжиматься, а в конце концов образовалось бы гигантское гиперскопление, где было бы много квазаров и не было бы нашей жизни. Но мы живем в той вселенной, какая она есть. Почему мы должны рассматривать ту химию, в которой у нас существует органика? Мы можем также рассматривать другую органику, например, на Титане, при жидком метане, где есть сложные молекулы, где есть климатические изменения. Там будет другая жизнь и другие непонятного типа существа. Они тоже будут говорить об антропном принципе и о том, что под них все вокруг подстроено. На самом деле нам неудобно жить: мы много болеем, у нас неудобно устроены глаза, есть лишние органы. То есть антропный принцип совсем не работает в приложении к обычной жизни, например, если говорить о зарплате. Невысокие зарплаты — значит, Вселенная неудобна для нашей жизни.

Если мы посмотрим на реликтовое излучение, на угловой спектр мощности, он нам покажет, сколько энергии выделяется с неба и регистрируется на Земле в заданном угловом размере. Мы изменяем угловой размер, у нас другая доля энергии, уменьшаем размер и опять измеряем энергию. После этого строим эту функцию зависимости. А потом видим, что на низких гармониках, а на самом деле у квадруполя очень маленькая амплитуда, ниже, чем нам бы хотелось для этой Вселенной. Это проблема. Вся Вселенная устроена так, что квадруполь маленький, и нам это не нравится, потому что заставляет думать о каких-то других задачах. Вселенная в квадруполе-то не подстроена под человека. А квадруполи для нас очень важны. Антропный принцип на уровне квадруполей не работает — докажите обратное.

Заметим, что есть много других вещей. На самом деле принцип наименьшего действия, который мы используем в космологии, нам очень важен и в обычной жизни. Об этом стоит задуматься, когда мы говорим, как можем минимизировать наше вмешательство в жизнь Вселенной, чтобы она жила дальше. Во Вселенной работает второй закон термодинамики, закон роста энтропии. В принципе, чтобы его не увеличивать, мы должны поменьше вредить друг другу. Закончу я известной философской фразой группы художников «Митьки»: «„Митьки“ никого не хотят победить». И именно в этом состоит некий жизненный принцип, который можно, наверное, расширить и на всю Вселенную. Тогда мы поймем, что антропный принцип всего лишь часть чего-то большого и может быть началом попытки понимания Вселенной с других точек зрения.