|
Сухонос Сергей Иванович, кандидат технических наук, руководитель инновационного центра «Авангард».
В ХХ веке физики обнаружили проблему безразмерных Больших Чисел (~1040) исследование которой привело к формулированию антропного принципа. В статье показано, что Большое Число является частным случаем более глобальной закономерности – периодичности масштабной структуры Вселенной с шагом в 105. Исследование этой структуры приводит к выводу, что во Вселенной действуют законы иерархической организации вдоль масштабного измерения, которые являются универсальными как для физического, так и для биологического мира.
Ключевые слова: масштабная структура Вселенной, безразмерные коэффициенты подобия, три уровня иерархии биосферы.
1. Масштабная структура Вселенной
Наш земной мир является небольшой частью Солнечной системы, которая входит в гигантский звездный архипелаг — Галактику. Галактика входит в Местную группу галактик, а последняя является частью огромного мира Метагалактики, состоящего примерно из десяти миллиардов галактик.
С другой стороны, на Земле каждый живой организм состоит из клеток, клетки — из молекул, молекулы из атомов, атомы из элементарных частиц и т.д.
Перемещаясь мысленно как в глубь материи, так и за пределы Земли, мы попадаем на различные уровни масштабного устройства нашей Вселенной:
Метагалактика
галактики
ядра галактик
звезды
ядра звезд
человек
живые клетки
атомы
протоны
…………
максимоны.
Каждый масштабный уровень представлен особыми объектами, живущими по своим законам. Каждый уровень изучает отдельная дисциплина современной науки.
Во взаимоотношениях этих уровней существует довольно строгая соподчиненность, что позволяет говорить об иерархии:
1. Все галактики (по определению) входят в Метагалактику.
2. Все звезды объединены в галактики. Астрономам не удалось пока обнаружить звезды, не входящие в галактические структуры. Иными словами, между галактиками пространство пусто.
3. Звезды состоят из атомов. Более того, почти все атомы Вселенной принадлежат каким-либо звездам. Есть очень небольшое в процентном отношении количество атомов, которые находятся в межзвездном пространстве и даже образуют молекулы. Это атомы в планетах, астероидах, кометах и в диффузных галактических облаках. Но процентное отношение количества таких атомов к количеству атомов в звездах очень мало.
4. Элементарные частицы являются кирпичиками атомов. И хотя некоторые частицы блуждают по всей Метагалактике, но гораздо больше их находится в структурах атомов, которые входят в состав звезд, принадлежащих одной из галактик, входящих в свою очередь Метагалактику.
Итак, мы видим, что подавляющая часть видимого вещества Вселенной организована в соподчиненную, иерархическую (как матрешка) структуру вещества Вселенной и представлена пятью наиболее крупными масштабными классами: элементарные частицы, атомы, макротела, звезды и галактики. Эти классы образуют своего рода масштабную лестницу природы. Возникает простой вопрос: а как устроена эта лестница, имеет ли она периодичность или ее ступени расположены в масштабном пространстве хаотично?
1.1. Размер как универсальный параметр масштабной структуры
Как не бывает инфузорий размером со слона и аквариумных китов, так не бывает звезд размером с галактику и планет с массой звезды. Все объекты Вселенной — галактики, звезды, планеты, атомы и т.д. имеют размеры в строго определенных диапазонах. Одновременно разные типы объектов различаются и физическими свойствами. Так, например, в недрах звезд идет термоядерный синтез, в недрах планет и в галактиках (вне звезд) термоядерных процессов не происходит.
Но, несмотря на множественность параметрических различий, наиболее общими являются размер и масса. В самом деле, каждый объект Вселенной занимает то или иное пространство, поэтому его размеры всегда можно измерить. И каждый объект имеет массу.
Из этих двух параметров для построения количественной структурной лестницы здесь выбран размер. Размер — наиболее достоверно известный параметр объектов. Более того, поскольку при изменении размеров объектов меняются физические свойства этих объектов, то многие закономерности, свойственные размерному параметру, характерны и для других физических характеристик: массы, времени и т.д. Именно поэтому во второй половине XX века многие известные физики пришли к убеждению, что «...закономерности геометрии являются самыми общими и простирают свою власть и значимость на любые события и явления в мире, который мы знаем». «Материя есть возбужденное состояние динамической геометрии... Геометрия предопределяет законы движения материи...». И именно размеры придают геометрической картине метрику и, следовательно, точность.
Дополнительная и немаловажная причина такого выбора заключается в том, что практически для всех видимых объектов Вселенной известны их размеры.
1.2. Масштабный интервал Вселенной
У бесконечной Вселенной границ нет. Но у видимой ее части — Метагалактики границы, безусловно, есть. По данным современной астрофизики, она определяется радиусом в 1028 см. Именно такое расстояние свет проходит примерно за 10 миллиардов лет — установленный наукой возраст Вселенной.
Если на логарифмической оси размеров отметить области, заселенные различными типами объектов, то справа эта ось будет иметь четкую границу — размер 1028 см (рис. 1). Поэтому закономерно возникает вопрос: а как далеко влево, в сторону уменьшения размеров простирается структура Метагалактики? Атомы, элементарные частицы, кварки... Исчерпывается ли структура материи если проникать в глубь ее, и если да, то где обрывается бесконечность разложения элементарных частиц на все более элементарные?
Еще философы Древней Греции размышляли об этой проблеме. Сохранилось сочинение Лукреция, где он поведал о парадоксе Зенона:
Если не будет, затем, ничего наименьшего, будет
Из бесконечных частей состоять и мельчайшее тело.
У половины всегда найдется своя половина,
И для деленья нигде не окажется вовсе предела.
Чем отличишь ты тогда наименьшую часть от Вселенной?
Ровно, поверь мне, ничем. Потому что, хотя никакого
Нет у Вселенной конца, но ведь даже мельчайшие вещи
Из бесконечных частей состоять одинаково будут.
Со времен Зенона наука проделала немалый путь проникнув в глубь вещества, раскрывая все более тонкие структуры материи. И открыв все химические элементы (10–8 см), мы сумели заглянуть в глубь материи еще на 7–8 порядков. Изучив нуклоны (10–13 см), физика затем дошла в опытах на ускорителях до масштабов около 10–17 см. Но заглянуть глубже в структуру материи современные эксперименты не позволяют — для этого необходимы слишком большие энергии и, следовательно, слишком большие затраты.
Опережая экспериментаторов и используя всю мощь современной теории, физики-теоретики начали выстраивать цепочку субмикрочастиц глубже 10–17 см.
Неожиданно, когда они проникали (теоретически) в глубь материи, то обнаружили некоторый барьер, за которым все законы современной физики перестают работать: либо за ним начинается совершенно иной мир, либо за этим барьером действительно уже ничего нет; и, следовательно, именно здесь наконец-то обнаружен первокирпичик всей материи нашей Вселенной.
Речь идет о частице, размер которой соответствует фундаментальной длине, полученной М. Планком в конце XIX века. Эту частицу академик М.А. Марков назвал максимоном (или фридмоном). Размер ее выводится из формулы М. Планка:
(1)
где h — постоянная Планка, G — константа гравитационного взаимодействия, с — скорость света.
Полученная из (1) длина L0 такова, что на ней квантовые флуктуации метрики лишают смысла само понятие расстояния между двумя точками. Таким образом, все частицы с большим размером могут быть описаны законами физики, эти частицы различимы для нас. Но по законам нашего мира частицы меньшего размера уже не могут существовать. Недаром этот размер получил название «фундаментальная длина» — это если не абсолютный, то принципиально важный фазовый барьер проникновения в Микромир. По сути, речь идет о субмикрогранице нашей Вселенной.
Если нанести эти границы на ось десятичных логарифмов в сантиметрах (в дальнейшем для удобства будем называть ее М-осью), то все известные науке теоретически или из наблюдений объекты будут занимать на ней практически точно 61 порядок. Среднелогарифмический размер – 10-2,3 см или 50 мкм (рис.1).
Рис. 1. Масштабный интервал размеров объектов Вселенной (от фундаментальной длины М. Планка — 10–328см до Метагалактики — 1028,2см), расположенный на масштабной оси (М-оси), и его масштабный центр (МЦВ)
Весьма необычные свойства обнаружил у максимона в 70-х годах ХХ в. академик М.А. Марков. Исследуя теоретические свойства максимона с позиции современной физики, он показал, что тот может иметь внутреннюю структуру целой Вселенной, в частности, подобную нашей! Поэтому, если путешественник, мысленно проникая в глубь материи, по ходу уменьшения масштабов будет оказываться во все более элементарном мире, то он будет «видеть вокруг себя» все тот же микромир, состоящий из все более простых сущностей. Но как только он проникнет сквозь «горловину» максимона с размером 10–33 см, то неожиданно обнаружит себя внутри новой вселенной со своими галактиками, звездами и, возможно, с разумной жизнью.
Эти фантастические выводы можно получить, оставаясь в строгих рамках современных теорий, если рассматривать Вселенную как объект с избыточной массой.
«...Известно, что из-за большого гравитационного дефекта масс полная масса замкнутой Вселенной равна нулю. Если рассматривать вариант Вселенной, не полностью замкнутой, „почти замкнутой“, то в зависимости от этого „почти“ полная масса такой Вселенной может быть как угодно малой, в частности, например, микроскопических размеров. Более того, с точки зрения внешнего наблюдателя такая малая масса заключена „внутри“ сферы также микроскопических размеров... Экспериментатор, находящийся вдали от центра такого мира, воспринимает его как материальный объект, локализованный в области минимальной сферы, как объект малых (если угодно, микроскопических) размеров и обладающий в целом малой (если угодно, микроскопической) массой, хотя внутри этого объекта может содержаться целая Вселенная со своими разнообразными галактиками». Этот вариант может реализоваться, если плотность вещества во Вселенной порядка 10–29 г/см3. Такую систему М.А. Марков назвал фридмоном. «Фридмон с его удивительными свойствами не является, однако, порождением поэтической фантазии — без всяких дополнительных гипотез система уравнений Эйнштейна–Максвелла содержит фридмонные решения... Это дает возможность обсуждать ансамбли фридмонов как новый класс тождественных по своим свойствам частиц микромира... Мы видим, что современная физика дает возможность совершенно по-новому трактовать содержание понятия „состоит из...“. Вселенная в целом может оказаться микроскопической частицей. Микроскопическая частица может содержать в себе целую Вселенную... Действительно, если наше скопление галактик, наша Вселенная может оказаться фридмоном, то совокупность подобных фридмонов вместе с другими формами материи вновь может образовать Вселенную, и вновь со свойствами фридмона... В такой концепции нет первоматерии и иерархия бесконечно разнообразных форм материи как бы замыкается на себя (курсив автора _ С.С.)».
Опираясь на строгие физические расчеты М.А. Марков получил весьма нетривиальные мировоззренческие результаты:
«Таким образом, в рамках общей теории относительности могут реализоваться системы с внешними микроскопическими параметрами (массой, зарядом, размерами), внутренняя структура которых представляется ультрамакроскопическим миром. Поражает существование описанного выше автоматизма в образовании фридмоновских ансамблей тождественных частиц.
Если бы Господь Бог по Своему произволу начал творить вселенные с критической плотностью, вселенные, различные по числу галактик, по уровню существования цивилизаций, по полному электрическому заряду, то через некоторое время Творец увидел бы вместо различных вселенных ансамбль тождественных микроскопических частиц — электростатических фридмонов…».
«Подобная возможность делает Вселенную в целом симметричной в отношении „большого“ и „малого“, в отношении макро- и микроструктур. Такой вариант „Мира в целом“ естественно назвать „Микро-Макро-Симметрической Вселенной“…
Конечно, нет никакого основания считать, что Вселенная в целом обладает именно такой структурой, — это просто одна из возможностей в наших экстраполяциях, которая может оказаться соответствующей действительности. Только в иллюстративных целях можно воспользоваться фантастическим путешественником, свободно вылетающим из горловины фридмонов и легко проникающим в эти свободные системы... Возможность подобной связи не так уж проста, как это представляется максвелловскому демону в его путешествиях. Но надо помнить, что действительность все же может оказаться фантастичнее наших фантазий».
Таким образом, теоретические расчеты М.А. Маркова показывают, что, по современной теории, возможно существование такого мира, в котором наша Метагалактика является всего лишь первокирпичиком для Мета-Метагалактики — мира более высокого масштабного уровня. А с другой стороны, любой максимон нашей Вселенной может иметь внутри себя структуру целой вселенной. Если при этом отбросить «истинные» размеры нашей Вселенной и максимона-фридмона, то структурно и функционально они вполне могут быть подобны. Это подобие как бы замыкает микромир на мегамир — крайности сходятся. Таким образом, бесконечность делимости материи приобретает иной, циклический характер (рис. 2).
Рис. 2. Масштабно-цикличная модель мира (по М.А. Маркову).
Наша Вселенная по этой модели — всего лишь одно звено из длинной (возможно, бесконечной) масштабной цепи вселенных
Насколько точно определены в современной теории масштабные границы Вселенной? Рассмотрим детально, где точно пролегает ее верхняя граница, соответствующая размеру нашей Метагалактики — 1028 см, который определяется порогом видимого нами мира галактик. Количество их в Метагалактике очень велико, но не бесконечно — по данным астрофизического справочника, их насчитывается около 1010. Можно, конечно, предположить, что за рубежом в 1028см есть другие объекты Вселенной, но поскольку они невидимы для нас, то их исследование традиционными методами не представляется возможным.
Согласно наиболее признанной на сегодня космологической теории, Метагалактика после Большого Взрыва расширяется с огромной скоростью, и поэтому все галактики удаляются друг от друга. При этом, если на увеличение размеров от точки (момент взрыва) до 1027 см потребовался 1 млрд лет, то на последующее увеличение в 10 раз — уже 10 млрд лет. Для увеличения размеров Метагалактики с 1028 до 1029 см необходимо 100 млрд лет. Следовательно, в рамках современной космологии размер 1028 см определен минимум с точностью до порядка. А в деталях последние годы обсуждается диапазон от 12 до 25 млрд лет, наиболее же часто принимается радиус около 1,5 1028 см.
Возраст цивилизации современного человечества насчитывает не более нескольких десятков тысяч лет. За это время Метагалактика практически всегда оставалась одного размерного порядка. Поэтому показатель степени десятичного логарифма — +28,2 столь же точен, как и показатель степени десятичного логарифма с другого масштабного «края» –32,8.
Итак, наша Вселенная имеет границы по масштабной оси как сверху, так и снизу.