Текст книги "Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной"

К настоящему времени об антропном принципе написано множество книг и статей. Для многих физиков и философов он стал настоящей золотой жилой[37]37
  Я не имею в виду, что об антропном принципе написано много ерунды, таких работ лишь единицы. По сути дела, это прекрасный пример «смещения отбора», а отметать идеи без достаточных оснований глупо. Очень хороший обзор (в виде критики книги физика Виктора Стенгера) можно найти в статье Luke Barnes. The Fine-Tuning of the Universe for Intelligent Life. 2011. http://arxiv.org /abs/1112.4647.


[Закрыть] – и зачастую слишком сложной и противоречивой темой для бесконечных бесед за коктейлями, в которых доводы замыкаются сами на себя, словно змей Уроборос, кусающий собственный хвост. Предлагались и крайне смелые формулировки принципа Картера, согласно которым Вселенная может существовать лишь при условии, что она породит разумную жизнь, способную ее наблюдать; лично я постараюсь держаться от этой идеи как можно дальше.

Однако идея антропного принципа имеет колоссальное значение: она заставляет нас бороться с некоторыми предрассудками в своем мировоззрении и изучать, какие искажения при наблюдениях над окружающим миром присущи нам от природы. Слишком углубляться в разнообразные следствия из антропного принципа я не стану, поскольку гораздо более практичные и понятные ответы на наши вопросы о собственной роли в мироздании можно получить куда более конвенциональным путем. Но поскольку антропный принцип входит в явное противоречие с принципом Коперника (точнее, с ортодоксальными представлениями о нашей посредственности), нам все же придется остановиться на некоторых его подробностях.

* * *

В наши дни антропные идеи всплывают по большей части в диспутах о так называемой «тонкой настройке Вселенной», где подробно исследуются совпадения в масштабах Вселенной, которые привели к появлению ученых, задающих подобные вопросы. Идея тонкой настройки примерно такова. Если подробно рассмотреть все множество фундаментальных качеств Вселенной, воплощенных в физических постоянных наподобие соотношения силы гравитации со всеми прочими силами, мы заметим, что, будь эти постоянные чуть-чуть иными, жизнь не зародилась бы.

Правда, на самом деле все несколько сложнее, и цепочка рассуждений примерно такова: при ином соотношении постоянных не существовали бы звезды и галактики, либо в них не вырабатывались бы тяжелые элементы вроде углерода, необходимые для биохимии. То есть целый набор первичных вселенских функций не смог бы задать условия для вторичных функций, от которых мы зависим. Это, разумеется, предполагает также, что жизнь обязательно должна быть похожа на нашу, однако и в самом деле трудно представить себе, как Вселенная, где есть только водород и гелий, породит структуры той сложности, какая свойственна нашей углеродной жизни.

Какие именно качества Вселенной можно считать самыми важными, понятно не сразу. Чтобы сузить диапазон вариантов, проще всего создать хитроумные математические сочетания различных фундаментальных постоянных, которые, в свою очередь, приведут к осязаемым природным явлениям. Ученые Бернард Карр и Мартин Рис[38]38
  Bernard Carr, Martin Rees. The Anthropic Principle and the Structure of the Physical World. Nature 278 (1979): 605–12.


[Закрыть] проделали это в 1979 году, а позднее, в 1999 году, Рис пересмотрел[39]39
  Рекомендую очень славную книгу Martin Rees. Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape The Universe. New York: Basic Books, 2000.


[Закрыть] эти идеи и вывел шесть величин, которые в нашей Вселенной должны были попасть в относительно узкий диапазон, чтобы она выглядела примерно так, как сейчас, и подходила для возникновение жизни в том виде, в каком мы ее знаем.

Вот что это за величины.

• Отношение силы гравитации к электромагнитной силе.

• Доля материи, перерабатываемой в энергию при ядерной реакции превращения водорода в гелий.

• Полная плотность нормального (барионного) вещества во Вселенной.

• Энергетическая плотность квантовых возмущений вакуума (возможно, это и есть та самая темная энергия, которая ускоряет расширение нашей Вселенной).

• Размер крошечных неоднородностей в ранней Вселенной, которые затем выросли в структуры вроде галактик и их скоплений.

• И, наконец, количество пространственных измерений в нашей Вселенной.

Соблюсти все это непросто – и представляется, что шансов, что у какой-то зародившейся Вселенной случайно окажется весь нужный набор, крайне мало. Возможно, сейчас, читая эти строки, вы думаете: «Однако, если было бы иначе, нас бы тут не было и некому было бы об этом думать – мы должны существовать именно в такой Вселенной, вот и все!» Совершенно верно. Но если бы это была единственная Вселенная, если бы ни до, ни после нее не было совсем ничего (что бы это ни значило), это заставило бы задать неловкий вопрос: почему вышло так, а не иначе?

Пожалуй, самый симпатичный ответ на этот вопрос состоит в том, что наша Вселенная всего лишь одна из практически неисчислимого множества возможных Вселенных. Это уникальный пример реальности определенного типа, отделенный временем и пространством – а может быть, измерением, – от сонма иных. Пожалуй, слово «симпатичный» звучит здесь прямо-таки смешно: я только что выдвинул гипотезу об устройстве мироздания, которая вам может показаться бездоказательной. Однако на данный момент теория множественной Вселенной[40]40
  О том, какие физические законы способны породить конструкцию вроде множественной Вселенной, написано очень много. Среди возможных объяснений – космическая инфляция (экспоненциальное расширение Вселенной на очень ранних стадиях ее жизни, вызванное фазовым переходом), при которой возникает огромное множество «карманных Вселенных», по большей части изолированных друг от друга. Другой вариант – М-теория, обобщение теории струн, которая утверждает, что всякая Вселенная представляет собой многомерную «брану», или мембрану. Кроме того, большие перспективы открывает «многомировая» интерпретация квантовой механики, согласно которой параллельные Вселенные создаются при каждом субатомном событии. Популярный обзор можно найти в Brian Greene. The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos. New York: Alfred A. Knopf, 2011.


[Закрыть] – лидер в гонке за самую глубокую истину в науке. И когда Брэндон Картер предложил свой антропный принцип, он рассуждал примерно в том же ключе.

Не думаю, что кто-нибудь станет утверждать, будто у нас есть прямые доказательства существования множественной Вселенной, однако существует несколько убедительных теорий, которые прекрасно согласуются с этой идеей и к тому же обеспечивают ответы на другие вопросы фундаментальной физики частиц и космологии. Если теория множественной Вселенной верна, из нее может следовать, что проблемы тонкой настройки как таковой вообще не существует. Просто мы живем в одной из Вселенных, которая случайно оказалась «подходящей» для формирования галактик, звезд, тяжелых элементов и сложных молекул на основе углерода. Такое впечатление, что проблема, в сущности, чудесно решена, – и во многих отношениях так и было бы, если бы мы наверняка знали, что живем во множественной Вселенной.

Сложность с решением, основанным на теории множественной Вселенной, заключается в том, что эта теория отчасти мотивирована представлением о том, что наша Вселенная и в самом деле тонко настроена под зарождение жизни. Это решение основано на чисто антропных предпосылках, и по этим предпосылкам предполагается, что мы – единственные представители жизни на свете. Чтобы сформулировать эту теорию, не нужно привлекать никакую другую жизнь или разновидность жизни в каком-нибудь другом уголке мироздания. Это как строить всю философию науки на существовании какого-то особого необычного вида попугаев. Чего нам точно не хочется – так это в конце концов забрести в какой-то тупик. Так что стоит хорошенько разведать, что таится в этом направлении, поскольку мы еще не знаем, живем ли мы в части множественной Вселенной или нет, и поскольку ничего из вышеперечисленного не подводит нас ближе к ответу на вопрос о нашем вселенском значении или его отсутствии.

Думаю, что достаточно очень простых изменений точки зрения на Вселенную[41]41
  Уже после того, как я это написал, я понял, что подобные идеи уже обсуждались, например, о них говорил и писал физик Ли Смолин.


[Закрыть], и сразу станет понятно, как и почему некоторые аспекты тонкой настройки и антропной аргументации отвлекают нас от главного. Далее я познакомлю вас еще с несколькими подобными гипотезами, однако начнем мы с детского, на первый взгляд, вопроса, который позволит нам перейти к серьезным материям.

Представим на минуту, что толкование собственных наблюдений, которые предложил Галилей, было с радостью принято как величайшее достижение логики и технологии. Так что Галилея вовсе не забросали камнями (к счастью, лишь фигурально выражаясь), а сделали фаворитом церкви и властей XVII века. Согласно этой альтернативной истории, просвещенная элита пользуется этим случаем и запускает масштабную технологическую революцию, так как понимает, каковы экономические преимущества научно-технического прогресса.

Нежась в теплых лучах благодарности и покровительства, Галилей принимается строить сложные телескопы, которые позволяют ему стать первооткрывателем планет вокруг других звезд и подтвердить наличие биологических систем на многих из них. Славная фантазия, этакая альтернативная история науки, вся механика которой зиждется на воде и лошадиной силе, однако главное для нас – то, что она позволяет задаться вопросом, насколько изменился бы сегодняшний мир, если бы так и произошло на самом деле. Мы бы все эти столетия знали, что жизнь не ограничена нашей Землей, а может быть, даже выяснили бы, что где-то живут не только микробы или существа, с которыми невозможно наладить коммуникацию. Так или иначе, у нас уже был бы однозначный ответ на вопрос о том, насколько вероятно и насколько необычно в нашей Вселенной возникновение жизни в том виде, в каком мы ее знаем.

Теперь представим себе, что в этой параллельной реальности обнаруживается, что жизнь, похожая на земную, более или менее распространена. Она встречается довольно часто, однако все же не на всех подходящих планетах, и не настолько необычна, чтобы существовать лишь в отдельных галактиках, скупо разбросанных по просторам Вселенной. Как тогда быть с доводами о тонкой настройке, укорененными в антропных космологических представлениях? Прежде всего, в этом случае подобные вопросы, скорее всего, не пришли бы нам в голову. Это будто интересоваться, почему в мире именно столько видов улиток. Но даже если бы мы задали этот вопрос, в такой гипотетической реальности проблема настройки стояла бы не столь остро.

Было бы всего-навсего понятно, что эта Вселенная подходит для зарождения жизни, однако это не вопрос особого космического предназначения живых существ – просто в первобытном бульоне есть относительно плодородный участок, в котором иногда случайно зарождается что-то дельное. Разумеется, ответ может лежать в широком диапазоне между двумя крайностями: на одном его конце – жизнь, которая представляет собой столь редкостную диковину, что за 14 миллиардов лет она зародилась всего один раз, на другом – жизнь, которая кишмя кишит во Вселенной и заполонила всевозможными своими разновидностями все планетные системы.

В первом случае мы едва ли сочли бы, что эта Вселенная хорошо подходит для зарождения жизни, а очевидное совпадение физических параметров с условиями, необходимыми для ее появления, показалось бы нам просто жестокой шуткой. А во втором случае решили бы, что жизнь просто очень трудно искоренить. Может быть, мы даже задались бы вопросом, возможен ли такой набор физических законов (и представить себе трудно!), при котором зарождение жизни исключено.

Шучу, конечно; однако в каждой шутке есть доля правды, и здесь нужно подчеркнуть два очень важных соображения. Первое тривиально и состоит в том, что вопросы, которыми мы задаемся, – сами по себе прямая функция того, что нам уже удалось пронаблюдать в своем окружении. Второе более существенно: ведь мы, в отличие от обитателей той Земли с альтернативной астрономической историей, которую я выдумал, пока не знаем, какой из вышеизложенных сценариев разыгрывается во Вселенной. А пока не узнаем, ни тонкая настройка, ни антропный принцип не особенно помогут нам определить собственный статус.

Особенно это верно, если считать, что тонкая настройка однозначно определяет, быть нам или не быть. А между тем возможно, что существует проблема «грубой настройки», а тонкая настройка – это всего лишь один из заключенных в ней частных случаев. Я имею в виду, что в моем вымышленном примере вопрос, подходит ли Вселенная для возникновения жизни, не сводится к «все или ничего». Ответ на него лежит в некотором диапазоне фертильности и вероятности. В сущности, я считаю, что в антропной аргументации заложено предположение, что жизнь слаба и капризна: ей нужно, чтобы все сложилось идеально, а иначе она не зародится.

Однако обильные и яркие палеонтологические свидетельства говорят нам, что жесткий естественный отбор на нашей родной Земле позволил жизни самой осуществлять тонкую настройку[42]42
  Примечательно, что это соображение неоднократно высказывал великий американский палеонтолог и эволюционный биолог Стивен Джей Гулд. Это интересная точка зрения. К тому же мне интересно, что бы мы подумали, если бы обнаружили в космосе места, идеально подходящие для жизни в том виде, в каком мы ее понимаем, и при этом бесплодные.


[Закрыть] к окружающей среде. И жизнь как-то пробила себе дорогу благодаря обилию разнообразных сложных химических веществ и жизненно важных элементов, а также различных источников энергии. Да, конечно, все эти обстоятельства определяются фундаментальными законами нашей Вселенной. Однако жизнь на Земле стала настолько разнообразной, что может задействовать целый ряд вторичных биохимических стратегий, не полагаясь на какую-то одну.

То, что жизни для зарождения и сохранения нужна не просто приблизительно подходящая, «черновая» среда, не так уж очевидно. Так что подлинная космологическая тонкая подстройка должна сводиться скорее к созданию обстановки, в которой жизни относительно легко возникнуть, – и я пока не стану проводить различий между разумной и «просто» жизнью, поскольку жизнь в любой ее форме отнюдь не проста.

* * *

Такая точка зрения не противоречит исследованиям совпадений физических постоянных и других величин, в число которых входит, в частности, соотношение массы и энергии во Вселенной. В большинстве подобных случаев есть некоторый простор для маневра, и это можно показать на примере выработки химических элементов в результате ядерного синтеза в недрах больших звезд.

В первой половине ХХ века ученые обнаружили, что условия в недрах звезд обеспечивают синтез атомных ядер, а их мощная энергия позволяет выковывать все более и более тяжелые элементы. Однако разобраться в собственно механизме звездного нуклеосинтеза оказалось непросто, и в начале 1950-х годов британский физик Фред Хойл[43]43
  Хотя Хойл выдвинул эту идею еще в 1953 году, статья, где он предложил свои подсчеты выработки углерода в звездах, вышла в 1954 году (Fred Hoyle. On Nuclear Reactions Occurring in Very Hot Stars. I. The Synthesis of Elements from Carbon to Nickel. Astrophysical Journal Supplement 1 (1954): 121–46).


[Закрыть] понял, что с выработкой углерода возникают некоторые сложности. В то время едва зародившиеся теории звездного нуклеосинтеза предполагали, что в звездах вырабатывается относительно мало углерода. Однако Хойл заметил, что поскольку мы созданы из молекул, содержащих углерод, значит, во Вселенной должен быть способ генерировать его в изобилии. Это загадочное противоречие подтолкнуло Хойла к открытию процесса синтеза углерода.

Хойл обнаружил, что углерод формируется во Вселенной в достаточном количестве благодаря одному интересному явлению. Энергия, которая возникает на одной из стадий процесса, когда в недрах звезд сливаются три ядра гелия, почти точно совпадает с энергией ядра углерода в возбужденном состоянии – естественного продукта этого слияния. Это соответствие приводит к возникновению так называемого ядерного резонанса – гармонизации энергетических состояний, которое мощно подхлестывает производительность ядерной реакции: потому-то и получается, что звезды создают очень много углерода, а вовсе не крошечное его количество.

Долгое время ядерный резонанс считался одним из самых сильных доводов[44]44
  В последующие годы возникли некоторые разногласия по поводу того, действительно ли Хойл руководствовался антропным принципом или всего лишь пытался разобраться, как звезды могут вырабатывать углерод. См., например, Helge Kragh. An Anthropic Myth: Fred Hoyle’s Carbon-12 Resonance Level. «Archive for History of Exact Sciences» 64 (2010): 721–51. Кроме всего прочего, Хельге Краг пишет и о том, как физик Ли Смолин опроверг «углеродный» довод в пользу антропного принципа – примерно так же, как я критиковал антропный принцип, когда излагал альтернативную историю про Галилея.


[Закрыть] в защиту антропного принципа: существование углерода и жизни, основанной на углероде, само по себе предполагает наличие этого особого процесса в звездах. Да, это так, но лишь в определенной степени: дьявол, как всегда, кроется в мелочах. Теперь мы знаем, что для производства углерода не обязательно, чтобы ядерные энергии совпадали так уж точно: есть определенный простор для маневра, так что тонкая настройка, оказывается, не такая уж и тонкая[45]45
  На это указывали несколько ученых, в том числе физик Стивен Вайнберг. Кроме того, изучение разных энергетических уровней, через которые может вырабатываться углерод-12, показывает, что сдвиги величиной до 60 кэВ, возможно, почти не влияют на количество вырабатываемого углерода. См. статью Mario Livio et al. The Anthropic Significance of the Existence of an Excited State of C-12. Nature 340 (1989): 281–84.


[Закрыть]. То же самое можно сказать о многих параметрах тонкой подстройки. Да, все сложилось удачно, но даже если бы некоторые величины были слегка иными, условия для возникновения жизни в том виде, в каком мы ее знаем, все равно оказались бы подходящими.

В этой книге я постараюсь показать, что концепция простора для маневра на самом деле гораздо глубже. Если когда-нибудь мы сумеем точно измерить, насколько Вселенная склонна порождать жизнь, то есть оценим производительность или плотность возникновения жизни в каждом участке космоса, то получим новый инструмент для измерения фундаментальных свойств природы и предсказания возникновения жизни в соответствии с этими фундаментальными свойствами.

Из этого не следует, что жизнь обязательно «избранная» – это скользкая дорожка[46]46
  Если говорить, что жизнь «избранная», это возвращает к идеям витализма, представлению о некоей «искре жизни», которая отличает живое от неживого. Научное сообщество раз и навсегда отказалось от подобных идей, однако они все равно нет-нет да и возникают.


[Закрыть]: нет, просто жизнь – превосходный пример очень сложного природного явления, не исключено, что это самое сложное природное явление во Вселенной, хитроумно и затейливо связанное со многими ключевыми особенностями физических законов Вселенной. Жизнь как таковая – природная лакмусовая бумажка для испытания свойств Вселенной, пробный камень для детального изучения взаимодействия между отдельными характеристиками в тех случаях, когда возможны самые разные отклонения и сочетания.

Это не просто попытка переформулировать антропную аргументацию. В сущности, эта аргументация утверждает, что можно сделать определенные предсказания по поводу Вселенной на основании самого факта возникновения жизни. Я же хочу предложить лишь способ изучить, как взять свойства Вселенной и предсказать частотность жизни в ней, а следовательно, и оценить наше космическое значение. Примерно как предсказать исход выборов по результатам социологического опроса. К этой концепции мы еще вернемся.

Но вернемся ненадолго к анти-антропному варианту – к идее, укоренившейся в нашем сознании с тех самых пор, как мы узнали, что мы – не центр мироздания: мы занимаем во Вселенной ничем не примечательное, заурядное и непривилегированное положение. Так вот, дело в том, что и это представление, заключенное в принципе Коперника и составляющее суть современного научного метода, также не лишено серьезных недостатков.

* * *

Благодаря Копернику у нас появился своего рода комплекс. Идеи Коперника поразительно точно и ясно описали нашу Солнечную систему, и он помог нам вырваться из глубокой колеи кромешного провинциального самолюбования. Да и очевидные свидетельства нашей заурядности на диво убедительны (хотя и подрывают на корню все наши солипсистские и эгоистические тенденции), и к тому же благодаря принципу Коперника мы добились колоссального прогресса в понимании Вселенной и вокруг нас, и внутри нас. Однако из-за принципа Коперника происходит некоторая путаница.

Снова вернемся к вопросу о том, одиноки ли мы (и жизнь на Земле) во Вселенной. На первый взгляд принцип Коперника гласит, что такого быть не может – ведь мы находимся не в центре мироздания, в нас нет ничего особенного, и среда, в которой мы живем, должно быть, типична для огромного количества мест на данном этапе истории Вселенной.

По этой логике, жизнь не только должна быть явлением очень распространенным, – она во многом должна быть очень похожа на жизнь на Земле. Однако действительно ли предположение о нашей заурядности можно считать веским основанием для подобного вывода? Это отдает чересчур буквальным прочтением научных догматов. Коперник пытался всего-навсего понять, как движутся планеты Солнечной системы, построить предельно логичную модель с минимальным количеством натяжек. Не вчитываем ли мы слишком много в механическое решение механической задачи?

Отринуть принцип Коперника или по крайней мере осознать его ограничения – решение не особенно спорное. Антропные идеи – всего лишь одна приемлемая альтернатива, и я знаю, что многие физики и астрономы находят подобные свидетельства в некоторых достаточно очевидных аспектах нашей среды обитания. То обстоятельство, что мы так явно заброшены именно в такое, а не иное место во Вселенной – на планету, вращающуюся вокруг звезды на краю Галактики, а не изолированы в межгалактической пустоте и существуем именно в данный момент космической истории, – попросту не подпадает под критерии «идеальной заурядности».

На самом деле ситуация такова: коперниково мировоззрение в лучшем случае предполагает, что Вселенная должна кишеть жизнью, подобной жизни на Земле, а в худшем не делает вообще никаких выводов по этому поводу. Его альтернативе – антропной аргументации – достаточно всего одного случая возникновения жизни, и это можем быть мы. В лучшем случае некоторые исследования тонкой настройки предполагают, что Вселенная случайно создала условия для возникновения форм жизни, основанных на тяжелых элементах, а не то чтобы она особенно плодородна. Короче говоря, ни та ни другая точка зрения не позволяет сделать сколько-нибудь надежных прогнозов по поводу реальной частотности жизни в нашей Вселенной и выводов относительно нашей значительности или незначительности.

Но нам-то нужны ответы на вопросы! А для этого придется как следует рассмотреть природу многогранной организации вещества во Вселенной и вокруг нас, и внутри нас, чтобы определить собственное место в ней. Значит, нужно будет проложить путь, лавируя между предположениями о заурядности и тонкой настройкой и антропной аргументацией. Надо как-то обойти эти крайности и суметь измерить то, что мы обнаружим по дороге.

История комплекса Коперника – это история увлекательных приключений, история о том, как изучение Вселенной внутри и снаружи нас обретает новые смыслы. Кроме того, это история о нашем прошлом и будущем, в основном – о будущем. Но главное – она о глубинной потребности, о докучливой, неотвязной тяге разобраться, каково наше место в великом механизме мироздания, одолевающей каждого из нас.

Нам нужно знать, причем наверняка, какую роль мы играем, причем не только с философской или эмоциональной точки зрения, но объективно, в холодных цифрах и фактах. Это одна из величайших научных задач современного человечества. В эту задачу входит и умение смотреть за пределы наших хитроумных моделей мироздания, которые служат нам верой и правдой, но все же нуждаются в пересмотре и обновлении, а иногда и в списании в утиль.

Поэтому следующий шаг унесет нас с привычной сегодняшней Земли на Землю незнакомую – вчерашнюю и завтрашнюю. Если мы хотим разобраться, в каком контексте живем, нам придется и возвыситься до космического пространства-времени, и спуститься в микрокосм. И мы обнаружим, что все, что видел изобретательный экспериментатор Антони ван Левенгук в свои микроскопы более трехсот лет назад, было лишь началом подлинно фантастического путешествия.