Антропный принцип. «Тонкая подстройка» Вселенной

Разобщенность мира, которая имела место в классиче­ской физике между физической картиной мира и челове­ком, преодолевается. Ибо сама жизнь является следстви­ем определенным образом нарушенных симметрий. Однако возникает вопрос, как получилось такое согласованное на­рушение симметрий, что в результате всех перипетий воз­ник человек? По мере проникновения в тайны строения фи­зического мира от элементарных частиц до галактик не пе­рестаешь удивляться точно «подобранным» значениям фундаментальных постоянных, удивительному совпадению ряда чисел, построенных из этих фундаментальных посто­янных, так называемой «тонкой подстройкой» Вселенной. А если бы в природе реализовалась другая последователь­ность чисел? Появился бы человек и каким бы он был? Попытка связать основные особенности того мира, в кото­ром мы живем, с самим фактом существования человека, познающего этот мир, привела к формулированию принци­па, который вряд ли можно назвать строго физическим принципом, но который, тем не менее, основывается на нео­споримом факте существования человека в нашей Вселен­ной. Этот принцип был назван антропным.

Антропный принцип в физике впервые был сформули­рован в 1961 году Д. Дикке, а в дальнейшем развит Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антроп­ный принцип». Антропный принцип утверждает, что мир

таков, каков он есть, потому что в противном случае некому был бы спрашивать о том, почему мир таков. Можно ска­зать, что наука со времен Коперника развивалась таким образом, что наблюдателю-человеку в ней отводилась весь­ма скромная роль. Человек не занимал какого-либо при­вилегированного, центрального положения в науке о Все­ленной. Как бы без внимания оставался и тот факт, что необходимой предпосылкой нашего существования являют­ся благоприятные условия (температура, химический состав окружающей среды и т. д.), возникновение которых оказа­лось возможным благодаря именно тонкой подстройке значений физических величин во Вселенной. Некоторые ученые обратили внимание на ограниченность такого под­хода, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его в самом фундаментальном смысле. Наше положение в мире, если и не является цен­тральным, то неизбежно — привилегированным. И можно заранее, до наблюдений предсказать ряд астрофизических и других факторов по той причине, что то, что мы ожида­ем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необ­ходимыми для нашего существования как наблюдателей. Основанием для таких предсказаний и служит антропный принцип — как принцип, отражающий невероятно тонкую подстройку Вселенной.

Можно привести несколько примеров, свидетельствую­щих о том, что свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствую­щих фундаментальных констант. Интервал возможных значений этих констант, обеспечивающий нам мир, пригод­ный для жизни, очень мал. Так, ослабление на несколько порядков константы сильных взаимодействий привело бы к тому, что на ранних стадиях расширения Вселенной об­разовывались бы, в основном, только тяжелые элементы, и в мире не было бы источников энергии. Если на несколь­ко порядков было бы меньше гравитационное взаимодей­ствие, то не возникло бы условий для протекания ядерных реакций в звездах. Усиление слабых взаимодействий пре­вратило бы на ранних этапах эволюции Вселенной все ве­щество в гелий, а значит, отсутствовали бы реакции термо­ядерного синтеза в звездах. Наконец, усиление на несколь­ко порядков электромагнитного взаимодействия привело бы к заключению электронов внутри атомных ядер и не-

возможности вследствие этого химических превращений и реакций. Не говоря уже о том, что если бы первоначаль­ная скорость расширения Вселенной хотя бы на 0,1% была бы меньшей критической скорости расширения, то Вселенная достигла бы лишь 3 10^-6 своего теперешнего радиуса, после чего она бы начала сжиматься. Разумеется, «таких если бы» существует еще достаточное количество, но и приведенных примеров достаточно, чтобы понять: в современную физику наряду с идеей самоорганизации вхо­дит также идея целесообразности, что приводит к появле­нию в физической картине мира человека как уникального и одновременно естественного результата глобально-косми­ческой эволюции.

Безусловно, антропный принцип возник не сейчас, кор­ни его имеют начало на самых ранних этапах истории че­ловеческой культуры. Однако «переоткрытие» антропного принципа в современной космологии имеет важное значе­ние в становлении нового постнеклассического типа науч­ной рациональности. Существуют разные версии антропно­го принципа: слабый антропный принцип, сильный антроп­ный принцип, финалистский антропный принцип, антроп­ный принцип, включающий соучастника-наблюдателя. Появляются и теологические нотки при обсуждении ант­ропного принципа. Все это повлияло на то, что многие ученые-физики с настороженностью относятся к этому принципу, рассматривая его как ненаучный. Однако поло­жение резко меняется, если антропный принцип рассмат­ривать в контексте синергетического самоорганизующего­ся процесса эволюции Вселенной. Здесь на первый план выдвигается идея о корреляции свойств наблюдателя и свойств мира подобно корреляции между состояниями двух разных частиц в эксперименте Эйнштейна — Подольско­го — Розена. То есть речь идет о вероятности того, что мир имеет наблюдаемые нами свойства. А это значит, что можно сравнивать вероятности оказаться в разных мирах с раз­ными свойствами. То есть антропный принцип получает не­теологическое объяснение при условии существования мно­жества миров. Следует сказать, что инфляционные сцена­рии раздувания Вселенной содержат в себе результаты, предсказывающие разделение Вселенной на неограниченно большое числом мини-вселенных — огромных областей, внутри которых реализуются свои типы физических ваку-

умов, размерностей пространства-времени, цепочек спонтан­ного нарушения симметрий. Так что вероятность возник­новения из этого огромного числа разных мини-вселенных таких, которые подобны нашей, в которых возможна жизнь, подобная нашей, существует. Как отмечает сам автор ин­фляционного сценария самовосстанавливающейся Вселен­ной А. Линде: «Мы живем в областях с определенными свойствами пространства-времени и материи не потому, что другие области невозможны, а потому что области обсуж­даемого типа существуют, а в других областях жизнь на­шего типа невозможна или маловероятна».

Современная физика с использованием антропного принципа как бы расширяет границы своего традиционно­го рассмотрения вопросов. Человек, рассматриваемый ранее лишь в качестве непосредственного потомка прогрессивной эволюции жизни в биосферных условиях, предстает уже в качестве непосредственного продукта космологической эво­люции Вселенной.

Вопросы для самоконтроля

1. Что доказывает теорема Нетер?

2. Сформулируйте известные вам законы сохранения.
Следствием каких симметрий эти законы являются?

3. В чем суть калибровочного принципа?

4. Какие типы физических взаимодействий вам изве­
стны? Какова их природа?

5. Расскажите о ферми- и бозе-частицах.

6. Приведите классификацию элементарных частиц.

7. Каковы физические идеи, лежащие в основе постро­
ения единой теории поля?

8. Опишите инфляционный сценарий эволюции Вселен­
ной.

9. Какова роль физического вакуума в структуре совре­
менной физической теории?

10. Каково значение антропного принципа в современ­
ной науке?

11. Охарактеризуйте основные черты постнеклассиче-
ского этапа в развитии физики.

Примечания

¹ Различают продольные и поперечные волны. Механи­
ческая волна — это процесс распространения колебаний
частиц в упругой среде. Однако хорошо известно, что жид­
кости и газы — текучи, то есть в них не возникает сил
упругости при деформации сдвига, при изменении формы
тела. Следовательно, в жидкостях и газах могут существо­
вать только продольные механические волны, являющие­
ся следствием наличия сил упругости при деформации
сжатия (растяжения), то есть при изменении объема тел.

² Здесь следует заметить, что сам по себе принцип инер­
ции свидетельствует об однородности точек пространства.
Тот факт, что принцип инерции был сформулирован толь­
ко в Новое время, говорит о том, что укоренившимся взгля­
дом на порядок вещей в природе была концепция Аристо­
теля о неоднородности точек пространства в подлунном
мире, согласно чему каждое тело стремится к своему есте­
ственному месту, тяжелое — вниз, а легкие газы — вверх).

³ Цит. по: Смородинский ЯЛ. Температура. М., 1987.
С. 12.

⁴ Цит. по: Дорфман Я.Г. Всемирная история физики.
М., 1979. С. 74.

⁵ Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
С. 39.

⁶ Цит. по: Эйнштейн А, Инфельд Л. Эволюция физи­
ки. М., 1965. С. 40.

⁷ Цит. по: Фен. Дж. Машины. Энергия. Энтропия. М.,
1986. С. 104.

⁸ Карно С. Размышления о движущей силе огня и о ма­
шинах, способных развивать эту силу. М. Пг., 1923. С. 5.

⁹ Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии.
Четыре исследования 1841-1851 гг. М.-Л., 1933. С. 93-94.

¹⁰ Там же. С. 127.

¹¹ Гельмгольц Г. О сохранении сил. М., 1922. С. 15.

¹² Второе начало термодинамики. М.-Л., 1934. С. 133-
134.

¹³ Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.,
1986. С. 173.

¹⁴ Ландау Л Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика.
М., 1964. С. 46.

¹⁵ Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. С. 308.

¹⁶ Больцман Л. Избранные труды. М., 1984.

Раздел IV

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ХИМИИ

1. Химия в системе "общество-природа"

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать про­стейшие орудия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказав­шись перед проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, а затем земледелие и скотоводство. Освоение все более слож­ных орудий и предметов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источни­ков энергии к более совершенным. Энергетическая пробле­ма последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эффективности производства, роста темпов добычи и пе­реработки громадного объема минеральных ресурсов, наря­ду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической тех­нологии, всеобщую химизацию, а затем и компьютеризацию общественного производства и быта.

Суммируя, можно сказать, что лейтмотивом, осью раз­вития человеческой цивилизации была и есть проблема выживания человеческого общества в условиях окружаю­щей среды, природы в целом. Мотив выживания, как пред­ставляется, есть ведущий мотив всей преобразующей дея­тельности человека на земле. Для своего выражения чело-

век всегда будет вынужден решать вечные проблемы овла дения веществом, энергией и информацией.

Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благо­даря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятель­ности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность идругих, во многом зависят от состояния и развития химии. Огромное значе­ние химия имеет для успешной работы сельскохозяйствен­ного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека.

Химическая промышленность производит десятки ты­сяч наименований продуктов, многие из которых по техно­логическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть — являются уникальными по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные ма­териалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в усло­виях агрессивных сред. Для промышленности химия по­ставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и т. п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, химические до­бавки и консерванты к кормам для животных. Для до­машнего хозяйства и быта химия поставляет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты.

Химия характерна не только тем, что обеспечивает про­изводство многих необходимых продуктов, материалов, ле­карств. Во многих отраслях промышленности и сельско­хозяйственного производства широко используются также химические методыобработки: беление, крашение, печа­тание в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование в машиностроении; кислородное дутье в металлургии; консервация, синтезирование витами­нов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической про­мышленности и т. д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению выхода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции.

Таким образом, химизация, как процесс внедрения хи­мических методов в общественное производство и быт, по­зволила человеку решить многие технические, экономиче­ские и социальные проблемы. Однако масштабность, а не­редко и неуправляемость этого процесса обернулась «вто­рой стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей сре­ды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нару­шилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессовна планете, химизация стала замет­но отражаться на здоровье самого человека. Получилась ситуация, которую ученые обоснованно именуют химической войной против населения Земли. За последние 30-40лет в этой войне пострадали сотни миллионов жителей плане­ты. Возникла самостоятельная ветвь экологической на­уки — химическая экология.

Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, яв­ляются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных отходов, загрязняют водоемы рек и озер сточными водами, используемыми в технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объе­мах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся отходы горнодобываю­щей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат многие неорганические соедине­ния — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т. д. Пя­тая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и неф­тепродуктами. Значительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, свя­занные с сельскохозяйственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой на­капливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития — от огня костра до термоядерной

бомбы, — в начале XXI века оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании. Угроза эко­логической катастрофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и при­роды в сторону оптимизации этих отношений. Задача зак­лючается в том, чтобы через новые технологии гармонизи­ровать отношения «общество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейтрализации антропогенных воз­действий на нее.

Новые технологии по своим параметрам должны при­ближаться к природным процессам, отличаться от про­мышленных своей безотходностью или малоотходностью. В безотходном производстве технологический цикл «сы­рье — производство — использование готового продукта — вторичное сырье» вписывается в окружающую среду, не нарушая экономического развития. В настоящее время наметились следующие пути решения сложных экологиче­ских проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных про­дуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопот-ребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой мате­риальных и энергетических потоков.

Проблема выживания человека в конце XX века оказа­лась усложненной проблемами геополитического, социаль­ного и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившей­ся цивилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о пере­растании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучай­ности появления человека на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль спасителя природы.

Экологические проблемы порождены не только эконо­микой и техникой, но и нравственным состояниемчело­века. Вопрос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потреби­тельское отношение человекак окружающему миру. Че­ловечество должно стремиться не просто к выживанию, но и к нормальной, достойной каждого человека жизни в ус­ловиях гармонии с природой.

Из сказанного вытекает, что место и роль химии в со­временной цивилизации должны рассматриваться систем­но, т. е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмот­рение химии как активного элемента сложной системы «общество — природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со своей структурой и взаимо­обменом между веществом, энергией и информацией.

I Предмет химии

Химия — это естественная наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения, а также рассмат­ривает вопросы использования результатов этих превра­щений. Самое краткое определение предмета химии дал великий русский ученый-химик Д.И. Менделеев в книге «Основы химии». По Менделееву, химия — это учение об элементах и их соединениях.

Отдельные химические процессы (получение материалов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV ве­ках, зародилась алхимия, задачей которой было превраще­ние неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения, химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.). Во второй половине XVII века Р. Бойль дал научное определение понятия «химический элемент».

Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакци­ях (М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье). В начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие «молекула». Атомно-молеку-лярные представления утвердились в 60-х годах XIX века. В этот период A.M. Бутлеров создал теорию строения хи­мических соединений, а Д.И. Менделеев (1869 г.) открыл периодический закон (периодическая система элементов Менделеева). С конца XIX — начала XX века важнейшим

направлением химии стала разработка теоретических ос­нов науки (атомно-молекулярное учение), изучение законо­мерностей химических процессов.

В современной химии постепенно оформились самосто­ятельные области химической науки: неорганическая хи­мия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия, другие ответвленные науки. На стыке химии и дру­гих областей знания сложились такие науки, как физиче­ская химия, агрохимия, геохимия, биохимия. На базе дос­тижений химии появился также ряд технических наук, как, например, металлургия, термохимия, электрохимия и др.

3. Физические и химические изменения веществ

Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Различные изде­лия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, но их веще­ство будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — веще­ство того же наименования, полученное в реальных усло­виях, т. е. имеющее неизбежные примеси.

Вещества по своему составу делятся на простые и слож­ные; по происхождению — на натуральные (природные) и искусственные; по агрегатному состоянию — на твердые, жидкие и газообразные; по внутреннему строению — на аморфные (неупорядоченные по структуре) и кристалличе­ские, имеющие упорядоченную периодическую структуру (кристаллическое строение).

Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям.

Физическим изменениемвещества называют такое изме­нение, при котором внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению. Например, из древесины изготав­ливают мебель, при этом внутреннее строение (структура), со­став и свойства древесины остаются прежними.

Химическими изменениямивещества называют такие, когда в результате взаимодействия не менее двух исходных

веществ (химической реакции) появляются одно или не­сколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами. Например, раскаленная сталь покрывается на воздухе окалиной; уголь, сгорая, об­разует углекислый газ; в результате химической переработ­ки природного газа получают водород, ацетилен, метиловый спирт и другие продукты. Именно такими изменениями веществ, их получением, описанием и объяснением зани­мается химия.

Экспериментально доказано, что многие физические из­менения сопровождаются химическими изменениями, и наоборот. Раскаленная сталь на воздухе, как было сказа­но, покрывается окалиной, а уголь, сгорая, дает тепло и свет. Практическое применение химических изменений излагает химическая технология— область знания о ме­тодах и средствах рациональной химической переработки сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов.

4. Химический анализ. Понятие о химическом элементе

Если подвергнуть, например, обыкновенный известняк нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложе­нию (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 116 таких ве­ществ, их называют простейшими веществами или хими­ческими элементами.

Химическое разложение, в результате которого получа­ются простейшие вещества, называется химическим ана­лизом. Врезультате химического анализа определяется, ка­кие элементы содержатся в исследуемом веществе. Хими­ческую реакцию анализа упрощенно можно выразить урав­нением: А = В + С, где А — исходное сложное вещество, а В и С — полученные вещества (химические элементы).

Все известные на сегодня химические элементы в сис­тематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в

Периодической системе элементов Менделеева — таблице, приведенной ниже.

Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно:

Из сказанного следует, что простейшие вещества явля­ются основой всей живой и неживой материи, а следова­тельно, и всей Вселенной.

Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. явля­ются веществами сложными. Незначительное число элемен­тов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элемен­тов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения: кислород и озон; углерод — три: алмаз, графит и корбин и т. д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химиче­ских элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями.

| Химический синтез. Понятие о соединении

Если нагревать цинковый порошок с серой (два от­дельных элемента), то в результате получается соединение, называемое сернистым цинком, которое по своим свой­ствам отличается от исходных простейших веществ. Та­кое соединение элементом называется синтезом.Синтез осуществляется только в результате химической реакции,при которой появляется более сложное вещество с новыми

свойствами и строением, отличными от свойств и строения исходных веществ.

Когда говорят о химическом синтезе, то подразумева­ют получение сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфары и т. д.). Полученные материалы в результате синтеза на­зывают синтетическими материалами. Химический синтез можно упрощенно выразить уравнением А + В = С, где А и В — исходные вещества, а С — синтезированное веще­ство. Способность вещества соединяться с одним или боль­шим числом веществ называется валентностью,механизм которой будет приведен ниже.

Простое перемешивание исходных материалов без иххимического соединения называют смесью. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства иможет быть выделено в чис­том виде. При смешивании веществ речь идет о физиче­ском процессе.