Astronet > Antropnyi kosmologicheskii princip

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Antropnyi kosmologicheskii princip

M. K. Guseihanov

Dagestanskii gosudarstvennyi universitet, Mahachkala

Soderzhanie

Idei antropnogo kosmologicheskogo principa, razvivavshiesya v poslednem stoletii XX veka, predstavlyayut bol'shoi nauchnyi interes s tochki zreniya otveta na voprosy proishozhdeniya i evolyucii okruzhayushego mira. Osnovnaya ideya etogo principa sostoit v tom, chto fundamental'nye svoistva Vselennoi, znacheniya osnovnyh fizicheskih konstant i dazhe forma fizicheskih zakonomernostei tesno svyazany s faktom strukturnosti Vselennoi vo vseh masshtabah - ot elementarnyh chastic do sverhskoplenii galaktik - s vozmozhnost'yu sushestvovaniya uslovii, pri kotoryh voznikayut slozhnye formy dvizheniya materii, zhizn' i chelovek.

Problema vozniknoveniya strukturnosti mira i zhizni vo Vselennoi tradicionno traktuetsya sleduyushim obrazom: okruzhayushaya nas Vselennaya obladaet opredelennymi fizicheskimi svoistvami i zakonomernostyami, poznavaemymi nami. Kak v takom sluchae proishodit evolyuciya Vselennoi, privodyashaya k dostatochno slozhnym strukturam, kak zarozhdaetsya i evolyucioniruet v takoi Vselennoi zhizn'? Ot otveta na eti, vo mnogom eshe ne reshennye voprosy, zavisit vozmozhnost' sushestvovaniya zhizni v drugih oblastyah Vselennoi, v drugie vremena i napravleniya ee poiska.

Lyubaya fizicheskaya teoriya, naprimer uravneniya Maksvella v elektrodinamike, stavit pered soboi zadachu dat' polnoe fizicheskoe opisanie toi ili inoi sistemy, esli izvesten polnyi nabor nachal'nyh dannyh, poskol'ku v razlichnyh fizicheskih yavleniyah nachal'nye dannye razlichny. No kogda my obrashaemsya k kosmologii, vopros o nachal'nyh dannyh i fundamental'nyh postoyannyh nerazryvno svyazan s tem, pochemu Vselennaya imenno takaya, kakoi my ee nablyudaem. Prezhde chem podoiti k otvetu na etot vopros, rassmotrim, kakimi predstavlyayutsya sovremennomu estestvoznaniyu nachal'nye usloviya nashei Vselennoi.

1. Sovremennaya kosmologiya

Naibolee vazhnym v sovremennoi standartnoi kosmologicheskoi modeli Vselennoi yavlyaetsya vopros o svoistvah rannei Vselennoi. Udovletvoritel'noe opisanie svoistv rannei Vselennoi daetsya v modeli V. de Sittera. Bolee pozdnie promezhutki evolyucii Vselennoi dayutsya v modeli A.A. Fridmana. Voznikayushaya pri etom zavisimost' razmerov Vselennoi ot vremeni mozhet byt' primerno opisana krivoi, pokazannoi na ris. 1. Vremya perehoda ot desitterovskoi stadii rasshireniya (1 ) k fridmanovskoi (2 ) oboznacheno cherez t_F . Fizicheskii smysl vremeni tF v tom, chto ono pokazyvaet moment radikal'nogo izmeneniya zakona rasshireniya Vselennoi. Perehod ot odnogo zakona k drugomu v moment tF oznachaet radikal'noe izmenenie osnovnyh svoistv Vselennoi v etot moment, izmenenie ee fazovogo sostoyaniya.

Zavisimost' razmerov Vselennoi ot vremeni (po de Sitteru - Fridmanu)

Model' eksponencial'nogo rosta razmerov Vselennoi de Sittera $R \sim \exp (Ht)$ na nachal'noi stadii ee evolyucii poluchila nazvanie modeli razduvayusheisya Vselennoi [1]. Po etoi modeli pri $t \to 0$ vsya energiya mira byla zaklyuchena v ego vakuume. Desitterovskaya stadiya rasshireniya dlilas' primerno 10^-35 s. Vse eto vremya Vselennaya bystro rasshiryalas', zapolnyayushii ee vakuum kak by rastyagivalsya bez izmeneniya svoih svoistv. Obrazovavsheesya sostoyanie Vselennoi bylo kraine neustoichivym, energeticheski napryazhennym. V takih sluchayah dostatochno vozniknoveniya maleishih neodnorodnostei, igrayushih rol' sluchainoi zatravki, chtoby vyzvat' perehod v drugoe sostoyanie (v kachestve primera mozhno privesti yavlenie kristallizacii). Pri perehode vakuuma v drugoe sostoyanie mgnovenno vydelilas' kolossal'naya energiya za schet raznosti ego nachal'nogo i konechnogo sostoyanii. Primerno za 10^-32 s prostranstvo razdulos' v gromadnyi raskalennyi shar s razmerami mnogo bol'shimi vidimoi nami chasti Vselennoi. Pri etom proizoshlo rozhdenie iz vakuuma real'nyh chastic, iz kotoryh so vremenem sformirovalos' veshestvo nashei Vselennoi.

V poslednee vremya usilenno obsuzhdayutsya prichiny togo pervotolchka, kotoryi byl nachalom rasshirenii nashei Vselennoi. Odin iz vozmozhnyh mehanizmov, osnovannyi na gipoteze o sushestvovanii kvanta edinogo prostranstva-vremeni, opisan v teorii inflyacionnoi Vselennoi. Rassmotrim ee osnovnye polozheniya i vyvody.

A. Einshtein vydvinul ideyu o sushestvovanii kosmicheskogo ottalkivaniya. Esli uchest' eti sily v uravneniyah dinamiki Vselennoi, to polnoe uskorenie okazyvaetsya ravnym

$a = a_{tyag} + a_{ott} .$

Uskorenie tyagoteniya a_tyag

$a_{tyag}=-\frac{GM}{R^2}$

a uskorenie ottalkivaniya a_ott v sootvetstvii s gipotezoi Einshteina proporcional'no R:

$a_{ott} = const \cdot R.$

Chislovoe znachenie konstanty v etoi formule mozhno naiti opredeliv srednyuyu plotnost' veshestva $\rho$ vo Vselennoi. V nastoyashee vremya schitaetsya, chto $\rho$ ochen' blizko k 10^-29 g/sm3 i

$a_{ott}=\frac{\Lambda c^2}{3} R ,$

gde $\Lambda$ - kosmologicheskaya postoyannaya, ravnaya ~10^-56 sm^-2.

Rassmotrim sluchai, kogda vo Vselennoi net veshestva, ona pusta. Pri etom M = 0 i a_tyag = 0. Dinamika Vselennoi opisyvaetsya uskoreniem a_ott. Mozhno pokazat', chto pri etom dve probnye chasticy, pomeshennye v takuyu pustuyu Vselennuyu, budut udalyatsya drug ot druga po zakonu

$R=R_0 \exp(\sqrt{\frac{\Lambda}{3}} ct)$

Soglasno sovremennym koncepciyam estestvoznaniya, vakuum ne pustota, v fizicheskom vakuume proishodyat processy rozhdeniya i unichtozheniya virtual'nyh chastic. Eto svoeobraznoe kipenie vakuuma nel'zya ustranit', ibo ono oznachalo by narushenie odnogo iz osnovnyh zakonov kvantovoi fiziki, a imenno sootnosheniya neopredelennostei Geizenberga. Kak pokazal Ya.V. Zel'dovich v 1967 godu, v rezul'tate vzaimodeistviya virtual'nyh chastic v vakuume poyavlyaetsya nekotoraya plotnost' energii i voznikaet otricatel'noe davlenie. Takoe vakuumpodobnoe sostoyanie neustoichivo, i s techeniem vremeni ono raspadaetsya, prevrativshis' v obychnuyu goryachuyu materiyu. Energiya vakuumpodobnogo sostoyaniya pereidet v energiyu obychnoi materii, gravitacionnoe ottalkivanie smenitsya obychnoi gravitaciei, zamedlyayushei rasshirenie. S etogo momenta Vselennaya nachnet razvivat'sya po izvestnoi standartnoi kosmologicheskoi goryachei modeli evolyucii. Rassmotrim ishodnye polozheniya etoi modeli i ee osnovnye rezul'taty.

Goryachaya model' Vselennoi, kak i lyubaya drugaya, ishodit iz nablyudaemogo v nastoyashee vremya fakta ee rasshireniya i ob'yasnyaet tri dostoverno ustanovlennyh fakta: nalichie barionnoi asimmetrii Vselennoi; kosmicheskoe otnoshenie chisla fotonov k chislu barionov, primerno ravnoe 10⁹ ; odnorodnost' i izotropnost' reliktovogo izlucheniya. Teoriya Bol'shogo Vzryva v nashi dni schitaetsya obsheprinyatoi. Soglasno etoi teorii, nasha Vselennaya razvivalas' iz pervonachal'nogo sostoyaniya, kotoroe mozhno predstavit' v vide sgustka sverhplotnoi raskalennoi materii. Izluchenie i veshestvo v nem nahodilis' v teplovom ravnovesii. V etoi rannei Vselennoi fotony effektivno vzaimodeistvovali s veshestvom, a chislo chastic bylo ravno chislu antichastic.

Dlya ob'yasneniya barionnoi asimmetrii Vselennoi predpolagaetsya, chto raspad leptokvarkov proishodit s prevysheniem chisla rozhdayushihsya kvarkov nad antikvarkami. Ishodya iz nablyudaemoi seichas barionnoi asimmetrii, chislo kvarkov dolzhno otnosit'sya k chislu antikvarkov kak 1 000 000 001 : 1 000 000 000. Fizicheskim obosnovaniem takogo predpolozheniya yavlyaetsya sushestvovanie v mikromire processov, idushih s narusheniem zaryadovoi simmetrii (raspad K⁰-mezonov). Pri etom vazhnym yavlyaetsya to, chto barionnaya asimmetriya ne zavisit ot nachal'nyh uslovii. Rodivshiesya v rezul'tate raspada leptokvarkov antikvarki i kvarki annigiliruyut, nebol'shoi zhe izbytok kvarkov vyzhivaet i yavlyaetsya materialom, iz kotorogo stroitsya veshestvo Vselennoi. Neitrony i protony - osnovnye stroitel'nye elementy nashego veshestva - poyavlyayutsya cherez 10^-6 s posle Bol'shogo Vzryva. Do vremeni $t \approx 10^{-11}$ s podavlyayushaya chast' energii sgustka zaklyuchena v izluchenii, posle etogo momenta v svyazi s obrazovaniem protonov - v veshestve. Po mere rasshireniya i ostyvaniya Vselennoi v moment vremeni t = 3 min 44 s nachinaetsya obrazovanie stabil'nyh yader legkih elementov - era kosmologicheskogo nukleosinteza. Dlitel'nost' etoi ery nevelika - vsego polchasa. Rasschitannaya po etoi modeli koncentraciya geliya vo Vselennoi (okolo 25% po masse) sovpadaet s dannymi astrofizicheskih nablyudenii.

Posle ery kosmologicheskogo nukleosinteza Vselennaya tiho ostyvaet. Ee temperatura snizhaetsya nastol'ko, chto elektrony nachinayut soedinyat'sya s yadrami, obrazuya atomy. Energii fotonov ne hvataet dlya ih razrusheniya, s etogo momenta izluchenie otryvaetsya ot veshestva. Dal'neishaya evolyuciya izlucheniya proishodit v polnom sootvetstvii s zakonami teplovogo izlucheniya. Teoreticheskoe znachenie temperatury etogo reliktovogo izlucheniya, dozhivshego do nashih dnei, v tochnosti sootvetstvuet eksperimental'nym dannym. Takim obrazom, tol'ko vodorod i gelii obrazuyutsya sobstvenno v Bol'shom Vzryve. Tyazhelye elementy obrazuyutsya pozdnee v nedrah zvezd i rasseivayutsya v prostranstve blagodarya zvezdnym vzryvam.

Dlya dal'neishego razvitiya naibolee vazhnym predstavlyaetsya to, chto v pervye mgnoveniya obrazovaniya nashei Vselennoi sformirovalsya ves' tot nabor fizicheskih zakonomernostei i fundamental'nyh postoyannyh, kotorye i obuslovili hod posleduyushei evolyucii Vselennoi.

2. Fundamental'nye mirovye postoyannye

Fundamental'nye mirovye postoyannye - eto takie konstanty, kotorye dayut informaciyu o naibolee obshih, osnovopolagayushih svoistvah materii [2]. K takovym, naprimer, otnosyatsya G, c, e, h, m_e i dr. Obshee, chto ob'edinyaet eti konstanty, - eto soderzhashayasya v nih informaciya. Tak, gravitacionnaya postoyannaya G yavlyaetsya kolichestvennoi harakteristikoi universal'nogo, prisushego vsem ob'ektam Vselennoi vzaimodeistviya - tyagoteniya. Skorost' sveta c est' maksimal'no vozmozhnaya skorost' rasprostraneniya lyubyh vzaimodeistvii v prirode. Elementarnyi zaryad e - eto minimal'no vozmozhnoe znachenie elektricheskogo zaryada, sushestvuyushego v prirode v svobodnom sostoyanii (obladayushie drobnymi elektricheskimi zaryadami kvarki, po-vidimomu, v svobodnom sostoyanii sushestvuyut lish' v sverhplotnoi i goryachei kvark-glyuonnoi plazme). Postoyannaya Planka h opredelyaet minimal'noe izmenenie fizicheskoi velichiny, nazyvaemoi deistviem, i igraet fundamental'nuyu rol' v fizike mikromira. Massa pokoya m_e elektrona est' harakteristika inercionnyh svoistv stabil'noi legchaishei zaryazhennoi elementarnoi chasticy.

Konstantoi nekotoroi teorii my nazyvaem znachenie, kotoroe v ramkah etoi teorii schitaetsya vsegda neizmennym. Nalichie konstant pri vyrazheniyah mnogih zakonov prirody otrazhaet otnositel'nuyu neizmennost' teh ili inyh storon real'noi deistvitel'nosti, proyavlyayushuyusya v nalichii zakonomernostei.

Sami fundamental'nye postoyannye G, c, e, h yavlyayutsya edinymi dlya vseh uchastkov Vselennoi i s techeniem vremeni ne menyayutsya (ob etom govoryat nablyudeniya i standartnaya teoriya), po etoi prichine ih nazyvayut mirovymi postoyannymi. Nekotorye kombinacii mirovyh postoyannyh opredelyayut nechto vazhnoe v strukture ob'ektov prirody, a takzhe formiruyut harakter nekotoryh fundamental'nyh teorii. Tak, $\hbar^2 /(m_e e^2)$ opredelyaet razmer prostranstvennoi oblasti dlya atomnyh yavlenii, a $m_e e^4/ \hbar^2$ - harakternye energii dlya etih yavlenii. Kvant dlya krupnomasshtabnogo magnitnogo potoka v sverhprovodnikah zadaetsya velichinoi $\hbar c / e$ . Predel'naya massa dlya stacionarnyh astrofizicheskih ob'ektov opredelyaetsya kombinaciei $(c\hbar /G)^{3/2}m^{-2}_N$ , gde m_N - usrednennaya massa nuklona.

Nazad | Vpered

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

Antropnyi kosmologicheskii princip

M. K. Guseihanov

Vvedenie

1. Sovremennaya kosmologiya

2. Fundamental'nye mirovye postoyannye