Физика вакуума и антропный принцип.

Смысл термина «антропный принцип» (от греческого «антропос» – человек) определяется уникальностью набора численных значений физических характеристик макро- и микромира – того единственно возможного их набора, который создает условия для возникновения Жизни и Разума.

Существование Вселенной в ее нынешнем виде зависит – и весьма критическим образом – от конкретных значений масс элементарных частиц и от величин констант фундаментальных взаимодействий. Как уже упоминалось ранее, их значения отражают свойства физического вакуума и, более того, формируются ими. И органические, и неорганические формы материи во Вселенной построены из протонов, нейтронов и электронов. Именно эти частицы создают важнейшие для существования жизни ядра атомов, наличие которых сказывается на самом процессе возникновения биологических форм – дейтрон, гелий ⁴Не и углерод ¹²С. В рамках анализа понятия «антропный принцип» мы намерены обсудить спектр масс элементарных частиц и интенсивности их взаимодействий, поскольку роль этих физических параметров в формировании сложного живого макроскопического мира не просто велика, но уникальна. Начнем разговор с обсуждения некоторых фактов, касающихся спектра масс элементарных частиц, а также рассмотрим вопрос о существовании атомов, как систем, построенных из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Существование атомных ядер с большим числом нуклонов, то есть тяжелых ядер, возможно тогда, когда имеется хотя бы простейшее из них – ядро водорода. Для этого необходимо, чтобы электрически заряженный протон не превращался в нейтральный нейтрон. Этот процесс должен быть запрещен, но в этом случае нужно, чтобы нейтрон был нестабилен. Нестабильность нейтрона обеспечивается выполнением следующего неравенства: m_e < Dm_N = m_n - m_p »1.3 МэВ. Если это условие не выполняется, протонам становится энергетически выгодно превратиться в нейтроны при захвате электрона. Протоны внутри ядра просто будут «сдергивать» электроны с оболочки, окружающей ядро и происходит реакция: p + e^- ® n + n. После этого атомы, как системы заряженных частиц, перестают существовать. С другой стороны, все вещество в наблюдаемом мире имеет определенный и сложный химический состав только потому, что нейтрон имеет возможность стабилизироваться внутри ядра: за счет внутриядерных взаимодействий масса нейтрона может уменьшиться так, что внутри ядра вышеприведенное неравенство не будет выполняться, и нейтрон стабилизируется. Чтобы дефект масс Dm_N = m_n - m_p за счет взаимодействия сыграл свою роль в процессе стабилизации нейтрона, масса свободного нейтрона не должна сильно отличаться от массы свободного протона. Анализ показал также, что указанная разность масс Dm_N не может превышать 2 МэВ. В противном случае нейтроны распадались бы так быстро, что существование многих ядер было бы абсолютно невозможно.

Какими же физическими явлениями обусловливается необходимое соотношение между массами основных частиц? Как мы знаем, масса электрона возникает за счет взаимодействия электронно-позитронного поля с ХК. Характерный энергетический масштаб ХК порядка 100 ГэВ, взаимодействие же ХК с электроном приводит к появлению у электрона массы»0.5 МэВ, что на 5 порядков меньше характерного масштаба ХК. Для такой высокоэнергетичной вакуумной подсистемы, как ХК, разницы в том, породит ли взаимодействие с этим конденсатом массу заряженного лептона равную 0.5 или, например, 1.5 МэВ, практически нет. Состояние ХК почти не реагирует на такое малое («с точки зрения» вакуумного конденсата) отличие в массах, и, тем не менее, масса электрона равна именно 0.5 МэВ. При формировании электрона с массой в 1.5 МэВ плотность энергии конденсата в относительных единицах изменилась бы всего на 10^-20, что для вакуумной подсистемы абсолютно несущественно. Но для макромира увеличение массы электрона в три раза привело бы к радикальному изменению структуры физического мира. В этом случае мир был бы построен только из нейтронов, а вакуум практически, казалось бы, и не почувствовал этого изменения массы электрона! Действительно, обычный атом водорода, состоящий из протона и электрона, прожил бы не более месяца – электрону выгодно упасть на ядро с образованием нейтрона и нейтрино. Если увеличить массу электрона в четыре раза (что для вакуума также не слишком заметно), обычный водород распался бы уже через сутки.

Обратимся теперь к массам нуклонов. Напомним, что они формируются за счет ненулевых масс кварков и энергии перестроенного внутринуклонного КГК. О не равных нулю массах кварков мы упомянули, поскольку массы u и d кварков различны. Из обработки экспериментальных данных следует, что наиболее типичны значения m_u = 3 МэВ, m_d = 6 МэВ. Разность их масс не менее 3 МэВ, что более чем вдвое превышает разность масс самих нуклонов. Если бы разность масс нуклонов целиком определялась разностью масс кварков (возникших за счет взаимодействия с ХК), то нейтрон распадался бы намного быстрее – почти в 100 раз быстрее! О существовании ядер со стабилизированными нейтронами и речи не могло бы быть. В этом случае для спасения всего нашего химического (и биологического) мира в игру вступает КГК. Отметим, что доля массы нуклонов, которая приходится на КГК, составляет примерно 0.5 ГэВ. В протоне и нейтроне энергии КГК различаются примерно на 1.5 МэВ, т.е. всего на 3%. Иначе говоря, для протона и нейтрона энергетические вклады КГК отличаются примерно на 3%, что сравнимо с электромагнитными поправками. Таким образом, оказывается, что подстройка состояний КГК в двух родственных частицах-нуклонах происходит так, чтобы разность масс протонов и нейтронов не была слишком большой. Вакуум обеспечивает тонкую подстройку массовых параметров частиц на уровне нескольких процентов!

От интенсивности сильных взаимодействий зависят и само формирование, и свойства ядер, более сложных, чем ядро водорода. Роль вакуума состоит в том, что имеет место его перестройка в пространстве между двумя взаимодействующими частицами и обмен через этот вакуумный канал виртуальными кварками и глюонами. Подчеркнем, что, если массы формируются в результате процессов перестройки вакуума внутри нуклона, то сильные взаимодействия связаны с перестройкой вакуумного состояния вне нуклона. Количественно охарактеризовать взаимодействие можно, рассматривая простейшее из составных ядер – ядро дейтрона. Интенсивность взаимодействия нуклонов при этом определяется энергией связи дейтрона. Отметим, что физика дейтрона важна для понимания свойств макромира по двум причинам. Во-первых, дейтрон является промежуточным объектом в цепочке ядерных реакций, происходящих внутри нашего Солнца. При отсутствии такого ядра, как дейтрон, свойства Солнца были бы другими – оно не вырабатывало бы то количество энергии, которое излучает сейчас. На Землю поступало бы меньше энергии, чем требуется для существования жизни на планете. Во-вторых, дейтрон является необходимым звеном в цепочке ядерных реакций, в которой возникают тяжелые химические элементы, лежащие в основе жизни. Дейтрон исполнит свою роль в этой цепочке, если его энергия связи e_св удовлетворяет неравенству: e_св> m_n - m_p + m_e. Необходимо, однако, иметь в виду, что это неравенство выполняется с очень небольшим запасом – стоящая слева величина e_св равна примерно 2.2 МэВ, а справа комбинация масс составляет численно около 1.8 МэВ. Энергия связи определяется интенсивностью сильного взаимодействия, поэтому, если бы последняя изменилась хотя бы на 10%, приведенное неравенство стало бы невозможным. Для того чтобы дейтрон выполнил свои функции по формированию свойств Вселенной, интенсивность сильных взаимодействий, определяемая КГК, должны быть больше некоторого критического значения. Но оказывается, что она не может быть и слишком большой, величина интенсивности ограничена и сверху. Если бы интенсивность была на 10% выше, чем в реальном мире, то энергетически выгодным было бы связанное состояние двух протонов, то есть образование ²Не. Но тогда не возник бы в заметных количествах ⁴Не, а это привело бы к серьезным последствиям. Во-первых, стала бы невозможной реакция тройного захвата с образованием углерода: 3⁴Не ® ¹²С. Причина в том, что от интенсивности сильных взаимодействий зависит структура энергетических уровней углерода, а реакция тройного захвата носит резонансный характер. Иначе говоря, нужно, чтобы масса трех атомов гелия точно совпадала с массой некоторого возбужденного состояния атома углерода. При увеличении же интенсивности сильного взаимодействия перестройка энергетических уровней легких ядер будет такова, что эта реакция не будет носить резонансный характер. Во-вторых, если не будет происходить синтез углерода, то не будет и синтеза других тяжелых элементов, необходимых для формирования биологических структур. Это означает, что количественные характеристики КГК должны быть очень жестко ограничены и сверху, и снизу, чтобы наблюдаемый мир был таким, каков он сейчас. И чтобы в нем мог существовать человек. Напомним, что выше уже обсуждалось тщательное согласование количественных параметров и в подсистеме ХК.

Что же касается электромагнитных и слабых взаимодействий, то их интенсивность определяется калибровочными зарядами – электрическим зарядом (или постоянной тонкой структуры a_е = е²/4p) и константой Ферми G_F. Напомним, что интенсивности всех взаимодействий зависят от переданных в процессе взаимодействия энергий и импульсов. Передача энергии и импульса обязательно сопровождается поляризацией вакуума в области взаимодействия. Это означает, что интенсивность по сути дела зависит от степени поляризации вакуумных нулевых колебаний, то есть от одной из трех вакуумных подсистем. Выше мы уже обсуждали две другие вакуумные подсистемы – хиггсовский конденсат и кварк-глюонный конденсат (ХК и КГК). Таким образом, в механизме реализации антропного принципа оказываются задействованными все известные в Стандартной Модели подсистемы физического вакуума!

В области малых передач энергий и импульсов, характерных для ядерной физики, предельные значения констант связи определяются массами частиц, которые при этом являются как бы обрезающими параметрами. Поляризация вакуума массивных частиц очень мала по очевидным причинам – трудно возбудить и перестроить соответствующие вакуумные колебания. Теперь, стартуя из области высоких энергий, проследим формирование электромагнитной константы a_е, значение которой мы измеряем в области низких энергий. В области сколь угодно больших переданных энергий поляризуются вакуумные колебания, соответствующие сколь угодно массивным частицам, то есть высокоэнергетическое значение a_е определяется всем набором фундаментальных квантовых полей, которые участвуют в электромагнитном взаимодействии. При спуске по энергетической шкале эффекты поляризации вакуума массивных частиц последовательно отключаются, но конечный результат – наблюдаемое значение электромагнитной константы – зависит, во-первых, от полного набора полей, во-вторых, от детальных характеристик их спектра масс и, самое главное, от массы кванта легчайшего заряженного поля, то есть от массы электрона. Аналогично происходит и формирование константы слабых взаимодействий, ее значение также определяется и полным набором частиц, участвующих в этих взаимодействиях, и массой переносчиков – промежуточных W и Z бозонов. Подчеркнем, что формирование констант происходит не только на масштабах, характерных для СМ, но и в области более высоких энергий. Фактически в Стандартной Модели на границе ее применимости, то есть при энергиях порядка 1 ТэВ, мы имеем некоторые входные значения констант, формирующиеся при более высоких энергиях. Константы взаимодействий, по большому счету, определяются полным набором фундаментальных полей в природе.

Как изменилось бы устройство природы при увеличении интенсивности электромагнитного взаимодействия? Ответ на этот вопрос имеет два аспекта. Во-первых, структура атомов стала бы иной, поскольку изменились бы схемы энергетических уровней, количественно изменились бы и многие другие атомные параметры, например, энергии ионизации, а, значит, по иному бы протекали химические процессы. Во-вторых, имеется и чисто ядерный аспект – отталкивание одноименно заряженных протонов повышает энергию ядра и делает его более нестабильным. Поэтому увеличение интенсивности электромагнитного взаимодействия сделало бы большое число ранее стабильных изотопов нестабильными, и химия тяжелых элементов существенно бы изменилась. Отсюда ясно, что интенсивность электромагнитного взаимодействия тщательно согласована со свойствами макромира.

Основная роль слабого взаимодействия в формировании макромира состоит в фиксации распадных свойств нейтрона. Увеличение интенсивности слабого взаимодействия привело бы к тому, что в эпоху первичного нуклеосинтеза образовалось бы существенно меньше ядер гелия ⁴Не, что резко изменило бы дальнейший ход ядерных процессов во Вселенной. Уменьшение же интенсивности привело бы к увеличению количества гелия, и тогда водорода оказалось бы слишком мало. В обоих случаях химия макроскопического мира была бы радикально отличной от имеющейся, и существование жизни, в той ее форме, которая представляется нам единственно возможной, стало бы невозможным.

До сих пор мы говорили о свойствах вакуума, которые предопределяют свойства вещества, и через них свойства материальных объектов. Однако у вакуума есть свойства, определяющие характеристики Вселенной в целом. А именно, темп ее космологического расширения. Этот вопрос уже затрагивался выше, и речь, главным образом, шла о величине и природе L- члена. С позиций антропного принципа L- член – это большая загадка. Он формируется всеми вакуумными подсистемами сразу, и понять природу его близости к нулю крайне затруднительно, если не учитывать, что вакуум – принципиально гетерогенная система. Плотности энергии каждой из вакуумных подсистем громадны, причем большинство из них имеет отрицательную плотность энергии, и только, по-видимому, вакуумная подсистема «кротовых нор» имеет положительную энергию. Точность подгонки вакуумных энергетических параметров в процессе установления величины L- члена можно проиллюстрировать следующими числами. Плотность энергии кварк-глюонного вакуума по модулю равна примерно 10^-4 (ГэВ)⁴. Плотность энергии ХК составляет 10⁸ (ГэВ)⁴. Согласно наблюдаемым данным, полная плотность энергии не превышает 10^-47 (ГэВ)⁴. Отсюда видно, что параметры ХК установлены с точностью 10^-55, а параметры КГК – с точностью 10^-43. Рассогласование параметров уже известных вакуумных подсистем привело бы или к резкому росту L- члена, который стал бы большим и положительным, или резко упал бы и стал отрицательным, но большим по модулю. Поясним, что имеется в виду под словами «большой» или «малый» L- член. Дело в том, что его величину надо сравнивать с плотностью энергии вещества во Вселенной. Эта плотность энергии и составляет величину порядка 10^-47 (ГэВ)⁴. Если бы L- член превышал эту величину примерно в 10 раз, этому соответствовало бы рассогласование (уменьшение по модулю отрицательных энергий КГК и ХК) параметров КГК на относительную величину всего лишь порядка 10^-42. Однако такого малого изменения хватило бы для намного более быстрого расширения Вселенной, и в ней не успели бы возникнуть структуры типа галактик и звезд. Напротив, если бы L- член был отрицателен (чему соответствовал бы рост по модулю энергии КГК и ХК), то Вселенная вообще не могла бы расширяться. В неизбежно коллапсирующей Вселенной все вещество было бы в состоянии горячей плазмы, и вопрос о причинах возникновения жизни просто некому было бы поставить.

Знания о свойствах материи в микро- и макромасштабах получены нами при исследованиях мира элементарных частиц на имеющихся ускорителях и теоретической интерпретации этих фактов в рамках СМ, а также из астрофизических и астрономических наблюдений. Анализируя имеющуюся у нас на сегодняшний день систему знаний, выделим некоторые пункты:

1.Наблюдаемый мир, допускающий существование человека, возник в результате сверхтщательного согласования многочисленных параметров большого (насколько?) числа вакуумных подсистем;

2.Существующая теория не позволяет установить природу этого самосогласования, несмотря на очень серьезные попытки установить ее. И одной из серьезных причин является именно присутствие КГК. Научное достижение состоит в том, что мы имеем конкретные варианты согласования вакуумных подсистем хиггсовского типа так, чтобы в сумме получался нулевой L- член. Этот результат возможен в некоторых вариантах суперсимметричных и суперструнных теорий. Есть надежда, что такое согласование имеет место в модели суперструны с так называемым «теневым миром». Однако в эту схему согласования совершенно не вписывается наличие непертурбативного КГК. Опять мы сталкиваемся с парадоксом: экспериментально мы обнаружили именно и только КГК, но его-то и не удается «встроить» в теорию нулевого L- члена. Если же структура мира преонная, то у нас вообще нет количественной теории;

3.Важнейшие параметры ядерной физики формируются именно на уровне КГК. Природа подсказывает, что объекты типа КГК и должны быть предметом нашего изучения;

4.Мы знаем, что все объекты типа КГК возникли эволюционным путем, но у нас и нет для них квантовой динамики в реальном времени! Заметим, что и все прочие вакуумные конденсаты также имеют эволюционную историю – на ранних этапах развития Вселенной они находились в других состояниях.

Теперь нам предстоит выбрать концепцию, в рамках которой можно было бы понять все эти факты. Примитивный вариант концепции опирается на гипотезу о том, что значения параметров фундаментальной теории тонко подстроены друг к другу. Но выше мы уже видели, на каком уровне должна осуществляться эта тонкая подстройка – на уровне 10^-55, и это только на основе того низкоэнергетического предела, который мы успели изучить экспериментально. Очевидно, что при исследовании процессов на меньших пространственно-временных масштабах мы с необходимостью обнаружим еще более тонкую подстройку, хотя она и на имеющемся уровне знаний о мире выглядит фантастически. По этой причине приведенная концепция кажется неплодотворной. Более естественной представляется концепция самоорганизации. Самой главный и логичный аргумент в ее пользу – вакуум есть иерархическая и сложная структура с множеством связей между своими элементами. Это можно считать вполне установленными научными представлениями о структуре вакуума. Современная наука установила также, что сложные системы с большим количеством функциональных связей обладают свойством самоорганизации. Поэтому кажется вполне естественным предполагать, что и вакуум обладает этим свойством.

Самоорганизация – это свойство системы так реагировать на изменения условий существования, чтобы путем локальных изменений структуры сохранить глобальную устойчивость и обеспечить тем самым условия своего дальнейшего существования и усложнения путем образования новых структур. Напомним, что понятие самоорганизации является первым понятием в триаде Самоорганизация, Жизнь, Разум. Живая система использует всю накопленную в течение процесса эволюции информацию и способна к воспроизводству. Она является одновременно приемником, хранилищем и передатчиком информации разного рода, в том числе и генетической, и, поскольку эти ее функции определяют смысл ее существования, реакции такой системы на изменения внешних условий оптимальны. Самоорганизующиеся же системы, получая ограниченную информацию из локального пространственно-временного источника, ведут себя квазиоптимальным образом. Живые системы отличаются от самоорганизующихся, по крайней мере, в двух аспектах:1) для выработки оптимальных реакций они используют всю накопленную в течение процесса эволюции и закодированную на генном уровне информацию; 2) они способны к воспроизводству. Понятие оптимальности реакции предполагает выбор такого пути развития, который обеспечивал бы продолжение жизни и ее воспроизводства. Разумная система, в дополнение к этим качествам, обладает еще и способностью прогнозировать развитие событий во внешней среде и принимать решения относительно выбора своих ответных реакций, поскольку четко отличает себя от среды. Более того, разумная система способна прогнозировать свои взаимоотношения с изменчивой средой и перестраивать ее в соответствии с собственной оценкой целесообразности таких действий. Степень разумности определяется масштабами планируемых перестроек окружающей среды и количеством учитываемых при этом факторов.

Мы называем (и считаем) вакуум самоорганизующейся системой, но это достаточно скромное определение – не исключено, что к физическому вакууму применимо и понятие разумной системы. Об этом говорит и, например, масштаб перестройки им окружающей среды (это понятие, в данном случае, условно, поскольку сам вакуум создает эту среду) – Вселенной в целом. Но, к сожалению, нам очень трудно представить, как может мыслить Вселенная в ее вакуумной ипостаси, поэтому сейчас ограничиваемся принятием концепции самоорганизации вакуума.

Каковы же реальные факты? Вселенная не гибнет в коллапсе, а расширяется, что предполагает подстройку и взаимное согласование вакуумных подсистем. Подстройка параметров вакуума обеспечивает дальнейшее существование Вселенной в режиме, создающем условия для образования (воспроизводства?) локальных структур. Эти локальные структуры тоже иерархичны по внутренней структуре, начиная от галактик, и заканчивая ядерным уровнем. Все они вместе обеспечивают существование астрономических и биохимических структур. Таким образом, все условия, предусмотренные определением самоорганизующихся систем, для вакуума выполнены. Не исключено, впрочем, и то, что Вселенная в целом еще и жива и разумна. Главный аргумент в пользу гипотезы разумности Вселенной, или, что то же самое, – вежливой формы религиозности, состоит в том, что все астрономические и биохимические структуры возникают на поздних стадиях эволюции Вселенной, а вакуумные структуры образуются на существенно ранних стадиях. Понять эту ситуацию без гипотезы о прогнозе, проводимом самой вакуумной системой, трудно.

Итак, во-первых, у нас сегодня нет полной теории, в рамках которой был бы понятен генезис антропного принципа. И, во-вторых, единственное, что можно сказать о такой, пока отсутствующей, теории – она обязательно должна учитывать самоорганизацию вакуума, то есть тщательное согласование параметров вакуумных подсистем в динамическом режиме. Кроме как на основе парадигмы самоорганизации вакуума в ходе эволюции, свойства наблюдаемого мира понять и объяснить невозможно.

Таким образом, мы видим, что вакуум эволюционирует и существует в режиме самоорганизации. Этот режим определяет как глобальные свойства Вселенной в целом, так и локальные характеристики вещества. Важно, что локальные и глобальные свойства Вселенной согласованы друг с другом на высочайшем уровне точности и согласованы так, чтобы в ней была возможность появления человека разумного. Уже на уровне существующих знаний мы можем уверенно утверждать, что факт самоорганизации вакуумных подсистем установлен. Роль этого факта в создании условий для возникновения жизни прослеживается явно, однако природу этой самоорганизации мы, конечно, пока установить не можем. Это станет возможным только в полной теории вакуума, которая будет оперировать с полным набором полей, например, на уровне суперструн. Иначе говоря, только в теории, которая сумеет решить проблемы динамического описания непертурбативного вакуума типа КГК. Эти задачи и будут стоять перед фундаментальной физикой XXI века. Однако уже сегодня есть понимание того, что вакуум есть очень сложная система с многочисленными функциональными связями, причем количественные характеристики и подсистем, и функциональных связей зажаты в очень узких рамках, что возможно только в режиме самоорганизации. Именно режим самоорганизации такой сложной системы, как физический вакуум, обеспечивает существование такой сложной, эволюционирующей биологической системы, как человек.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: