Приложение II Эволюция космоса и жизни: вечная инфляция, теория «мира многих миров», антропный отбор и грубая оценка вероятности возникновения жизни[150]

Приложение II

Эволюция космоса и жизни: вечная инфляция, теория «мира многих миров», антропный отбор и грубая оценка вероятности возникновения жизни[150]

_{Пер. П. Аверина}

Краткое введение в инфляционную космологию для неспециалистов

Теория «мира многих миров» (МММ), принципиально важная для космологического взгляда на происхождение жизни, представленного в главе 12, является следствием инфляционной космологии. В конце XX века она заменила собою классическую модель Большого взрыва. Инфляция — период начального, экспоненциально быстрого расширения Вселенной (Guth, 2001, 1998b). Алан Гут разработал инфляционную модель, чтобы объяснить некоторые ключевые астрономические факты, необъяснимые в рамках космологии Большого взрыва:

• плоскую геометрию наблюдаемой части Вселенной (метагалактики);

• крупномасштабную однородность космического реликтового излучения;

• локальные неоднородности реликтового излучения;

• отсутствие наблюдаемых магнитных монополей.

В самых правдоподобных, самосогласованных инфляционных моделях инфляция вечна, с бесконечным количеством островных (дочерних) вселенных (далее просто вселенных), возникающих при распаде небольших областей первичного «океана» ложного (высокоэнергичного) вакуума и составляющих вместе бесконечную мультивселенную (Guth, 2001; Vilenkin, 2007). Предсказания, полученные на основе инфляционных моделей, находятся в превосходном количественном согласии с указанными выше фактами (Guth and Kaiser, 2005). Более того, версия теории струн с населенным ландшафтом независимо приводит к похожей модели мультивселенной (Bousso, 2006; Bousso and Polchinski, 2004; Susskind, 2003, 2006a)[151]. Таким образом, хотя модель вечной инфляции не может считаться доказанной, на данный момент она является наиболее предпочтительным сценарием космической эволюции. Наблюдателям, находящимся внутри, их вселенная кажется замкнутой и бесконечной, и она содержит в себе бесконечное число не связанных между собой областей (метагалактик). Для таких наблюдателей (вроде нас) их вселенная расширяется из сингулярности (Большой взрыв), которая соотносится с концом инфляции в данной части мультивселенной.

Модель МММ утверждает, что все макроскопические, «крупнозернистые» последовательности событий, которые не запрещены физическими законами сохранения, уже произошли (или произойдут) где-то в бесконечной мультивселенной (и даже в одной из островных вселенных) — и при этом не единожды, а бесконечное число раз (Garriga and Vilenkin, 2001; Vilenkin, 2007). Например, существует бесконечное число (макроскопически) точных копий Земли, включая все, что на ней находится, хотя вероятность, что конкретная наблюдаемая область вселенной (далее Н-область) содержит такую копию, будет бесконечно малой. Такая картина абсолютно противоречит интуиции, но является прямым следствием вечной инфляции (Guth, 2001; Linde, 1986; Vilenkin, 1983).

Гаррига и Виленкин показали, что за конечное время содержимое каждой Н-области может принять конечное количество состояний; соответственно, у любой Н-области может быть конечное, хотя и невероятно большое (порядка 10 в степени 10¹⁵⁰) число уникальных, макроскопических, «крупнозернистых» историй (Garriga and Vilenkin, 2001). В сущности, конечность числа крупнозернистых историй является следствием квантовой неопределенности (принципа Гейзенберга; Carroll, 2010; Vilenkin, 2007). Такой же вывод независимо получается при совершенно другом подходе: через так называемый голографический предел, устанавливающий максимальное количество энтропии, которое может содержаться в любой конечной области вселенной(‘t Hooft, 1993; Bousso, 2006; Carroll, 2010; Garriga and Vilenkin, 2001). Все это — вечная инфляция, конечность числа уникальных крупнозернистых историй и неизбежные квантовые флуктуации в момент Большого взрыва (точка отсчета для каждой вселенной) — ведет к простому, но поразительному заключению, что каждая история, допустимая физическими законами сохранения, повторяется бесконечное число раз в мультивселенной и, более того, в каждой из бесконечного числа бесконечных (островных) вселенных (Bousso, 2006; Vilenkin, 2007).

Теория МММ тесно связана с антропным принципом (антропным отбором), спорной, но все более популярной среди космологов концепцией. Согласно антропному принципу, единственной «причиной», по которой нашей метагалактике присущи ее индивидуальные свойства, является то, что иначе не существовало бы наблюдателя, который бы мог видеть Вселенную (Barrow and Tipler, 1988; Livio and Rees, 2005; Rees, 2001). Следует особо подчеркнуть, что я обсуждаю здесь только так называемый «слабый» антропный принцип, единственную форму этой концепции, сколь-нибудь приемлемую для научного рассмотрения. «Сильный» антропный принцип — это телеологическая идея, согласно которой наше (человеческое) существование есть, в некотором таинственном смысле, цель эволюции Вселенной (Barrow and Tipler, 1988); в таком виде эту концепцию невозможно отнести к науке. Похоже, антропный принцип может быть реалистически определен только в контексте огромной (или бесконечной) мультивселенной (Susskind, 2006b). В частности, в теории МММ у антропного отбора есть прямая интерпретация: свойства нашей метагалактики отобраны среди огромного числа наборов параметров, существующих в мультивселенной (каждый в виде бесконечного числа копий), поскольку они благоприятны для возникновения и развития сложных форм жизни.

По сравнению с более старыми космологическими концепциями, которые рассматривали конечную Вселенную, теория МММ меняет сами понятия «возможно», «вероятно» и «случайно», относящиеся к любому историческому сценарию (см. табл. II-1). Проще говоря, вероятность осуществления любого сценария, не нарушающего законы сохранения, в бесконечной Вселенной строго равна 1. Верно и обратное: вероятность того, что данный конкретный сценарий реализован в данной метагалактике, равна частоте таких сценариев во Вселенной. Слегка изменив точку зрения, мы придаем формулировке второго начала термодинамики, вместо привычного статистического, буквальный смысл: любое нарушение этого закона, допустимое другими законами сохранения, будет иметь место — и при этом бесконечное число раз. Таким образом, спонтанное зарождение сложных систем, которое должно бы в конечной Вселенной рассматриваться как практически невозможное, становится не просто возможным, но неизбежным в теории МММ, пусть даже вероятности огромного большинства историй и были бы в данной метагалактике исчезающе малыми. Новое могущество случая, подкрепленное антропным отбором, должно иметь глубокие последствия для нашего понимания любого феномена во Вселенной, и жизнь на Земле не может быть исключением.

Вероятность случайного возникновения различных революционных систем в Н-области: грубая прикидка верхних пределов

Общие предположения: в Н-области содержится 10²² звезд, у каждой десятой есть пригодная для жизни планета; то есть имеется 10²¹ таких планет (несомненно, это сильное преувеличение; в действительности большинство звезд не имеет планет вовсе, не говоря о пригодных для жизни). Каждая планета размером с Землю, у каждой имеется пригодный для обитания слой толщиною 10 км (10⁶ см); отсюда объем этого слоя 4/3?[R³ – (R – l)³] ? 5 ? 10²⁴ см³, где R — радиус планеты, l — толщина обитаемого слоя. Синтез РНК происходит в 1 % объема обитаемого слоя — то есть в объеме 5 ? 10²² см³ (опять сильное преувеличение — в действительности «фабрик РНК» будет очень мало). Положим концентрацию нуклеотидов в объеме V и скорость синтеза молекул РНК размера n (свободный параметр, зависящий от специфики модели революционной стадии, далее n-мер) за 1 молекулу/см³/сек (и снова сильное преувеличение для любой молекулы сколько-нибудь значительного размера; более того, не учтена обратная зависимость от n, которая должна быть достаточно сильной). Время после Большого взрыва в данной Н-области (как верхний предел) для всех планет 10¹⁰ лет ? 3 ? 10¹⁷ секунд. Тогда количество уникальных n-меров, опробованных за время после Большого взрыва, будет:

S ? 5 ? 10²² ? 10²¹ ? 3 ? 10¹⁷ ? 1,5 ? 10⁶¹

Предположим, что для начала биологической эволюции требуется уникальный n-мер. Количество возможных последовательностей, состоящих из n нуклеотидов, N = 4ⁿ ? 10^0,6n.

Можно ожидать, что уникальный n-мер возникнет в Н-области E раз:

E = S/N = 1,5 ? 10⁶¹/10^0,6n

и

n = log (E ? 1,5 ? 10⁶¹)/0,6

Подставив E = 1, получаем n ? 102 (нуклеотида). Заметим, что, так как величина n прямо пропорциональна логарифму S, оценка будет мало зависеть от начальных предположений о величине переменных; например, изменение S на порядок величины приведет к увеличению или уменьшению n менее чем на 2 нуклеотида.

Можно представить себе рибозим-репликазу, состоящую из приблизительно ста нуклеотидов; таким образом, в принципе спонтанное появление таковой в конечной вселенной, состоящей из единственной Н-области, нельзя исключать в нашей «игрушечной» модели (и снова, скорость синтеза РНК, принятая здесь, намеренно сильно переоценена).

Для появления примитивной системы сопряженной репликации-трансляции, что в данном контексте рассматривается как революционная стадия, требования гораздо жестче. Как минимум, необходимо спонтанное появление следующего:

• Две рРНК, с общим размером не менее 1000 нуклеотидов.

• Примерно 10 примитивных адаптеров по 30 нуклеотидов каждый, в целом около 300 нуклеотидов.

• По меньшей мере одна РНК, кодирующая репликазу, размером примерно 500 нуклеотидов (оценка снизу). В принятой модели, n = 1800, и в результате E < 10^–1018.

Другими словами, даже в нашей игрушечной модели, которая предполагает сильно преувеличенную скорость синтеза РНК, вероятность случайного зарождения системы трансляция — репликация в единственной Н-области будет P < 10^–1018. Очевидно, эта версия революционной стадии может рассматриваться только в контексте вселенной с бесконечным (или, по меньшей мере, очень большим) количеством Н-областей.

Модель, рассмотренная здесь, ни в коем случае не предполагалась реалистичной. Она только иллюстрирует разницу в требованиях, накладываемых на вероятность возникновения разных версий революционных систем, и следовательно, связь этой версии с разными космологическими моделями вселенной.

Таблица II-1

Новые определения и новые интерпретации известных определений в модели МММ

[Термин] / Определение

[Инфляция] Экспоненциальное расширение мультивселенной под давлением отталкивающей гравитации ложного (высокоэнергетического) вакуума. Возможно, инфляция вечна — то есть, раз начавшись, она никогда не закончится.

[Мультивселенная (мультимир, метавселенная, мультиверс)] Вся ткань реальности, состоящая из бесконечно расширяющегося ложного вакуума с бесконечным числом небольших распадающихся областей, дающих начало вселенным.

[Вселенная (островная вселенная, дочерняя вселенная)] Часть мультивселенной, расширяющаяся с момента Большого взрыва, состоящего в локальном переходе ложного вакуума в низкоэнергетический (истинный) вакуум. Вселенная бесконечна с точки зрения наблюдателя, находящегося внутри ее, но конечна для воображаемого внешнего наблюдателя.

[Наблюдаемая область (Н-область)] Конечная область в пределах вселенной, доступная для наблюдений из выбранной точки (пространство, сигнал из которого может достичь выбранной точки за время существования вселенной). Наша Н-область содержит примерно 10²⁰ звезд.

[Большой взрыв] В традиционной космологии XX века расширение Вселенной из сингулярности. Природа «взрыва» никогда не была разъяснена. В космологии вечной инфляции Большой взрыв соответствует концу инфляции данной области мультивселенной, в результате распада ложного вакуума и формирования Вселенной в форме расширяющегося пузыря низкоэнергетического (истинного) вакуума.

[Макроскопическая (крупнозернистая) история] Любая последовательность физических событий, допустимых законами физики, определенная с точностью до квантовой неопределенности и произошедшая в какой-либо метагалактике за конечное время. Было показано, что число всех возможных макроскопических историй конечно, хотя и огромно. Отсюда следует, что даже в пределах единственной вселенной каждая история повторяется бесконечное число раз.

[Вероятность, случайность, возможность] Учебники определяют вероятность как предел, к которому стремится частота конкретного события, когда количество испытаний стремится к бесконечности.

В бесконечной вселенной (и, очевидно, в мультивселенной) с конечным числом историй реализуется бесконечное число испытаний, следовательно, вероятность равна частоте. Вероятность любой допустимой истории, включая зарождение жизни, поэтому P = 1. Однако вероятность p наблюдения какой-либо конкретной истории в конкретной Н-области лежит в интервале от 0 до 1, как и указано в учебниках, и может быть чрезвычайно мала для огромного числа историй, включая происхождение жизни.

Таким образом, понятия возможности и случайности в их традиционной форме применимы только к конечным областям вселенной, тогда как во всей бесконечной вселенной необходимо реализуются все допустимые истории.

[Антропный принцип, антропный отбор, антропное мышление] Идея того, что история нашего мира (нашей Н-области, нашей Галактики, нашей Солнечной системы и так далее) не зависела от какого-то специального «механизма», но была просто «выбрана» из бесконечного набора всех историй, гарантированно реализовавшихся в бесконечной вселенной, благодаря тому, что оказалась благоприятной для возникновения сложной жизни.

Антропный отбор — эпистемологический, а не онтологический принцип, и его не надо воспринимать как активный процесс какого-либо рода. Такова формулировка слабого антропного принципа, принятого в данной работе. Сильный антропный принцип предполагает возникновение сознания как цель космической истории; это концепция телеологическая и ненаучная.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.