De recente ontdekking van zwaartekrachtgolven van de oerknal die ons universum heeft voortgebracht, heeft golven teweeggebracht in astrofysische en kosmologische kringen. Sommigen verwelkomden de nieuwe ontdekking enthousiast en beweerden dat het eindelijk de realiteit van inflatie bewees (de zogenaamde snelle expansie van het universum die door de theorie na de oerknal werd gepostuleerd).
Anderen riepen op tot voorzichtigheid en wezen erop dat de gedetecteerde golven gedeeltelijk te wijten konden zijn aan andere factoren dan alleen inflatie. Sommigen kondigden aan dat deze resultaten uiteindelijk bijna alle alternatieve theorieën bedekten die naar voren waren gebracht om de waargenomen eigenschappen van het universum te verklaren, anderen waarschuwden voor buitensporige haast en riepen eerst op om de inconsistentie van mogelijke alternatieven "betrouwbaar te bewijzen". Tegen deze algemeen geagiteerde achtergrond was de toespraak van een van de toonaangevende moderne kosmologen, Andrei Linde van Stanford University, bijzonder interessant.
Hij verwelkomde de nieuwe ontdekking en zei dat het niet alleen "90 procent van alle andere inflatiemodellen uit de discussie verwijdert", maar ook "perfect past bij de theorie van chaotische inflatie", dat wil zeggen, de theorie die Linde zelf ongeveer 30 jaar geleden ontwikkelde. Het was geen toeval dat Linde's woorden de speciale belangstelling van al zijn collega's wekten. Het is een feit dat als verdere tests echt de realiteit van chaotische inflatie bevestigen, dit zal betekenen dat de kosmologie er eindelijk in is geslaagd een pijnlijke en fundamentele vraag op te lossen, waarop ze al decennia lang geen bevredigend antwoord heeft kunnen geven.
Deze vraag is, zoals je nu zult zien, ook fundamenteel voor ons, gewone nieuwsgierige mensen, omdat het in zijn meest primitieve vorm zo klinkt: waarom bestaan we überhaupt?
Laat me het nu uitleggen. Al in het midden van de vorige eeuw werd opgemerkt dat de fysische basisconstanten (bijvoorbeeld de elektronenlading, de gravitatieconstante in de wet van de universele gravitatie en een aantal andere fundamentele grootheden) uiterst nauwkeurig zijn aangepast om ervoor te zorgen dat leven in het universum zou kunnen bestaan in de vorm waarin we wij weten.
Er zijn talloze andere voorbeelden van zo'n fijne aanpassing van de natuurwetten aan de behoeften van een anthropos, dat wil zeggen een persoon. Laten we zeggen dat ons leven gebaseerd is op koolstof, en koolstof, zoals de studie van de processen van vorming van chemische elementen heeft aangetoond, zou niet in het universum kunnen voorkomen als de energieniveaus in atomen lichter zijn dan koolstof, elementen verschillen zelfs miljardensten van wat er op staat. werkelijk.
Een ander voorbeeld, al uit de geometrie van de ruimte: voor het ontstaan en de ontwikkeling van leven zijn planeten nodig die volgens de wet van de zwaartekracht om hun sterren draaien. En de algemene relativiteitstheorie laat zien dat in de ruimte van twee dimensies de zwaartekracht te zwak zou zijn om de planeten dicht bij de sterren te houden, en in de ruimte van vier of meer dimensies kan er helemaal geen zwaartekracht zijn.
Voor de anthropos blijft alleen die ruimte van drie dimensies over, die we om ons heen zien. En er zijn heel veel van dergelijke voorbeelden. Degenen die geïnteresseerd zijn, zal ik verwijzen naar het prachtige boek van Barrow and Tippler, "The Cosmological Anthropic Principle."
Promotie video:
Hoe verklaar je zo'n subtiele pasvorm? In 1973 formuleerde de beroemde astrofysicus Brandon Carter, die op de conferentie in Krakau sprak ter ere van de 500ste verjaardag van de geboorte van Copernicus, een mogelijk antwoord op deze vraag. Dit antwoord wordt het "antropisch principe" genoemd. Hij stelt dat, in tegenstelling tot de oude (Copernicaanse) overtuiging dat de locatie van de aarde in de ruimte niet verschilt van enige andere mogelijke locatie in het universum, in feite, zegt Carter, “haar positie, hoewel niet noodzakelijk centraal, toch enigszins bijzonder is. ".
Wat is deze functie? Het feit dat in het hele omringende deel van het universum dat voor ons zichtbaar is, de wetten en constanten van de natuur precies zijn wat nodig is voor het ontstaan van leven en anthropos als zijn "kroon".
Met andere woorden, we verschenen op zo'n speciale (vanuit ons standpunt) plek in het universum, waar alleen wij konden verschijnen. Als we aannemen dat er veel andere uithoeken in het universum zijn die we niet zien, dan is het heel goed mogelijk dat de wetten en constanten van de natuur daar verschillen, het leven en de mens zouden daar niet kunnen verschijnen, en daarom kan niemand zich afvragen waarom de natuurwetten om hem heen zijn. zijn zodanig dat ze het voorkomen ervan uitsluiten.
Het antwoord op onze fundamentele vraag komt dus neer op het feit dat we bestaan, want door een ongelooflijk gelukkig toeval in ons deel van het universum hebben precies zulke wetten en natuurconstanten zich ontwikkeld, die ideaal bleken te zijn aangepast aan de mogelijkheid van ons uiterlijk.
Deze formulering van het antropische principe werd later zwak genoemd, omdat het mogelijk is om een sterkere uitspraak te doen, die het sterke antropische principe wordt genoemd. Volgens dit principe zijn er geen andere delen of plaatsen in het universum - het is allemaal en onmiddellijk ontstaan, zodat de wetten en constanten overal hetzelfde zijn en overal precies zijn aangepast aan de mogelijkheid van het verschijnen van leven en rede. Dit klinkt logischer dan de uitspraak over "verschillende plaatsen" van het universum met "verschillende wetten" (waarom zou het ineens?!). Maar in deze vorm lijkt het antropische principe sterk op verhalen over de opzettelijke (goddelijke?) Schepping van het hele universum ter wille van de mens, en daarom weigerden de meeste wetenschappers resoluut het te accepteren. Desalniettemin was het feit van de fijne pasvorm duidelijk en moest worden uitgelegd. Linde was een van de weinigen die het serieus probeerde,dat wil zeggen, met behulp van rigoureuze theoretische berekeningen, controleer: zouden er echt zulke scenario's kunnen zijn voor de geboorte van het universum die deze aanpassing zouden verklaren?
Laat me je eraan herinneren dat het oorspronkelijke scenario van de oerknal vrijwel onmiddellijk werd geboren nadat Einstein de algemene relativiteitstheorie had bedacht, die de zwaartekracht in verband bracht met de eigenschappen van ruimte en tijd. Einstein geloofde dat het universum zich altijd in een stationaire toestand bevindt en dat de zwaartekracht van al zijn lichamen ten opzichte van elkaar in evenwicht wordt gehouden door een soort uitbarstend veld (tegenwoordig wordt het het veld van donkere energie genoemd).
Maar een paar jaar later ontdekte Hubble dat het universum feitelijk uitdijt (alle sterrenstelsels bewegen zich van elkaar af) met een bepaalde kleine maar merkbare snelheid, alsof al deze sterrenstelsels ooit een eerste impuls hadden gekregen en door traagheid blijven bewegen (tegenwoordig is bekend dat het veld van donkere energie deze beweging zelfs versnelt). Deze aanvankelijke impuls werd de Big Bang genoemd (astrofysicus Hoyle noemde het spottend Big Bang - "Big Clapperboard").
De Big Bang-theorie beschreef de geboorte en ontwikkeling van het universum heel goed. Ze voerde aan dat het universum ontstond als een brok extreem heet en dicht plasma, dat zich geleidelijk uitbreidde (samen met zijn ruimte) en geleidelijk afkoelde.
Aanvankelijk kon zijn materie niet worden verdeeld in materie en energie, maar naarmate het afkoelde, begonnen kracht (energie) velden te verschijnen (gescheiden van elkaar) - nucleair, zwak, elektromagnetisch, en samen met hen begonnen deeltjes die daarmee overeenkwamen te verschijnen - quarks, elektronen, neutrino's, enz. En dan tenslotte (de theorie gaf aan dat ongeveer 380 duizend jaar na de explosie) het universum zo erg afkoelde dat de energiequanta de pasgeboren atomen niet braken, en toen viel de substantie uit het algemene plasma.
Tussen de atomen bleef een leegte (vacuüm) bestaan, die werd gevuld met elektromagnetische straling van enorme intensiteit. Atomen begonnen aan elkaar te kleven tot klonten materie (en vormden uiteindelijk de eerste sterren en sterrenstelsels), en de reststraling bleef afkoelen, dat wil zeggen van zeer korte golflengten naar steeds grotere golflengten (zowel door energieverlies bij botsingen met materie, als door het uitrekken van golven van voor de voortdurende uitbreiding van de ruimte), en inmiddels is het afgekoeld tot 3 graden Kelvin (de golflengte is al enkele millimeters). Het werd residuale of relict-kosmische straling genoemd.
Dit slanke en indrukwekkende beeld werd briljant bevestigd toen Penzias en Wilson precies zo'n straling ontdekten met een temperatuur van 2,7 Kelvin en de aarde bereikte van alle kanten van de hemel, dat wil zeggen, het hele universum vulde. Maar samen met de bevestiging kwam nog een vraag, want het bleek dat deze straling uniform is, dat wil zeggen dat ze in alle richtingen dezelfde temperatuur heeft, dat wil zeggen in het hele universum. Hoe kan het zijn? De theorie zegt dat de oerknal 13,7 miljard jaar geleden plaatsvond. Dit betekent dat de relikwie-straling ongeveer 13,3 miljard jaar geleden werd gevormd.
De verste punten vanwaar dit licht vandaag naar de aarde kan komen, kunnen 13,3 lichtjaar verwijderd zijn, wat betekent dat de afstand tussen twee van dergelijke punten aan weerszijden van de hemel 26,6 miljard lichtjaar is. Geen enkele energie zou van het ene zo'n punt naar het andere kunnen bewegen, omdat het hiervoor tweemaal de lichtsnelheid zou moeten hebben, wat onmogelijk is. Ondertussen toonden metingen door Penzias en Wilson aan dat deze twee punten reststraling van dezelfde temperatuur uitzenden, wat betekent dat ze in een staat van thermisch evenwicht verkeren.
Deze eigenaardigheid wordt het horizonprobleem genoemd (omdat beide bovenstaande punten aan de rand of aan de horizon van het universum van vandaag liggen). In een poging dit probleem op te lossen, bracht Alan Guth in 1981 het idee van inflatie naar voren (inflatie wordt ook vertaald als 'inflatie', 'zwelling'), volgens welke de aanvankelijke plasmastolsel als gevolg van de oerknal klein was, en daarom konden alle onderdelen energie uitwisselen, op dezelfde temperatuur komen.
En toen, in een monsterlijk korte tijd (10 tot de min 35ste macht van een seconde), was er een korte maar monsterlijk snelle inflatie van de ruimte van het universum, die toenam tot zijn huidige schijnbare afmetingen (10 tot de 23ste macht van km). Het is niet de moeite waard om deze cijfers te visualiseren. De snelheid van deze inflatie overtrof onvoorstelbaar de lichtsnelheid (die echter niet in strijd was met het principe van de limiet van de lichtsnelheid, omdat er geen signaaloverdracht door de ruimte was, maar de uitbreiding van de ruimte zelf).
En natuurlijk konden gedurende deze tijd alle delen van het universum hun toestand niet veranderen, en bleven daarom overal in een staat van thermisch evenwicht met elkaar.
Guth's inflatoire theorie loste meer op dan alleen het horizonprobleem. Tegelijkertijd legde ze uit waarom het waargenomen universum ons gemiddeld (dat wil zeggen op zeer grote afstanden) praktisch homogeen en vlak lijkt (dat wil zeggen, een waarin de wetten van de Euclidische meetkunde worden vervuld, en niet, zeg maar, de wetten van Riemanns sferische meetkunde of Lobatsjevski's hyperbolische meetkunde).
Globaal gesproken 'rolde de inflatie het opgerolde' tapijt 'van de universele ruimte uit, verwijderde de kleinste afwijkingen van het vlak en maakte het Euclidisch, en het universum zelf - homogeen.
(Om strikt te zijn, omwille van het belang, in onze tijd, heeft de ontdekking van donkere materie, die in het universum meerdere keren meer is dan normaal, het probleem van vlakheid en uniformiteit voor wetenschappers opnieuw doen rijzen, aangezien het bleek dat donkere materie anders in de ruimte is verdeeld dan de gebruikelijke, zichtbare. gaf aanleiding tot nieuwe, meer complexe inflatoire theorieën, maar ze hebben niets te maken met de geschiedenis van het antropische principe in de kosmologie.)
Wat was de oorzaak van de oerknal en de daaropvolgende inflatie? Volgens Guth begon het allemaal met de kwantumfluctuaties van het vacuüm. In de kwantumfysica is een vacuüm grofweg geen leegte, maar een speciale toestand van een bepaald veld waarin energiefluctuaties kunnen optreden. Een dergelijke trilling gedurende een korte tijd verhoogt de energie van het veld, en dan ontstaat een onstabiele toestand die vals vacuüm wordt genoemd.
Zo'n toestand valt extreem snel uiteen, dat wil zeggen, het keert terug naar normaal, maar onder bepaalde omstandigheden kan een stuk ruimte waarin een vals vacuüm is ontstaan en vervolgens uiteengevallen de energie die er plotseling in verscheen gebruiken voor zijn verwoede expansie, met andere woorden, voor inflatie. Volgens Guth was het juist zo'n proces dat aanleiding gaf tot het universum dat we waarnemen, en het vond plaats in zo'n microscopisch, en dus homogeen en evenwichtsgebied, dat het universum dat daaruit ontstond ook, zoals we al zeiden, homogeen en evenwicht bleek te zijn.
Bovendien was de oorspronkelijke site zo klein dat de wetten van de natuurkunde overal hetzelfde waren - dus in het onmiddellijk opgeblazen universum bleven ze overal hetzelfde. En het feit dat ze tegelijkertijd gunstig bleken te zijn voor het ontstaan van leven en rede, is al een puur toeval. Het antwoord herhaalt in wezen een sterk antropisch principe, waardoor het een rigoureuze wetenschappelijke basis krijgt.
Deze conclusie was voor Linde onaanvaardbaar en hij probeerde Guths theorie te generaliseren. Hij verwierp zijn aanname van microscopiciteit, en daarmee de homogeniteit van het oorspronkelijke gebied waar het valse vacuüm ontstond, en onderzocht (theoretisch natuurlijk) wat er zou gebeuren als we een voldoende groot gebied in de ruimte beschouwen, dat zeker niet homogeen of energetisch evenwicht kan zijn.
Berekeningen leidden hem tot ongewoon interessante resultaten. Het bleek dat in dit geval kwantumfluctuaties van het vals vacuüm op verschillende plaatsen in dit gebied op verschillende tijdstippen en met verschillende intensiteiten kunnen optreden. Hierdoor zullen sommige plaatsen aan een inflatoir tempo opzwellen, terwijl andere helemaal niet zullen uitbreiden of vroegtijdig zullen stoppen met uitbreiden. Er zal geen enkel universum ontstaan, zoals in de theorie van Guth, maar een hele reeks universums, elk zo groot als de enige Guth.
En aangezien dit cluster van universums (vergelijkbaar met het universum, Linde noemde het multiversum, dat wil zeggen zoiets als een 'multiversum') werd geboren uit een chaotische staat van vacuüm en in chaotische wanorde, zal het zelf chaotisch zijn, dat wil zeggen, het is onmogelijk om een enkele op het moment van geboorte, in elk van zijn compartimenten (in elk afzonderlijk universum) zullen er zeker zijn eigen wetten van ruimte, tijd en natuur zijn in strikte overeenstemming met het zwakke antropische principe.
De nieuwe theorie heet chaotische inflatie. Toen hij het ontwikkelde, toonde Linde in zijn werk uit 1986 aan dat in de snelgroeiende compartimenten van het multiversum zijn eigen kwantumfluctuaties van het vacuüm en andere velden zouden moeten ontstaan, die zouden moeten leiden tot een continue en eindeloze inflatie van dergelijke plaatsen in deze compartimenten, zodat het multiversum zichzelf voor onbepaalde tijd zou reproduceren.
Dit proces heeft geen begin en geen einde, en daarom noemde Linde dit nieuwe grandioze scenario de theorie van eeuwige chaotische inflatie. Deze oneindige inflatie zal ook chaotisch zijn in de zin dat alle nieuwe compartimenten die ontstaan in verschillende compartimenten (het zijn ook universums) (het zijn nieuwe en nieuwe universums), in principe verschillende geometrieën zouden moeten hebben (inclusief een ander aantal dimensies van ruimte), verschillende eigenschappen tijd en verschillende soorten deeltjes en velden.
Het is dus mogelijk dat veel van hen bijvoorbeeld zes ruimtelijke dimensies hebben of geen deeltjes materie bevatten, enzovoort, enzovoort. (Het is natuurlijk ook vrij waarschijnlijk dat velen van hen - en hun aantal is oneindig - heel geschikt zullen zijn voor het ontstaan van leven en rede, hoewel elk op zijn eigen tijd niet noodzakelijk samenvalt met de andere.)
En nu beweert Linde (en Guth heeft al zijn overeenstemming met hem uitgesproken) dat de nieuwe gegevens over zwaartekrachtgolven het beste samenvallen met de voorspellingen van deze theorie van hem.
Zoals ik al zei, als zijn woorden eindelijk worden bevestigd, zal de wetenschap eindelijk een antwoord krijgen waarom we überhaupt bestaan. Omdat in het eindeloze en eeuwige proces van de chaotische verschijning van steeds meer nieuwe universums met steeds meer nieuwe wetten en constanten, er ooit (en meer dan eens) er een moet zijn verschenen waar het ontstaan van leven en rede mogelijk werd. Dit zal een enorme wetenschappelijke overwinning zijn, maar natuurlijk alleen binnen het kader van fysica en kosmologie. Voor een volledig antwoord op de vraag waarom we überhaupt bestaan, is natuurlijk ook een biologische verklaring nodig van hoe leven kan ontstaan uit "dode" materie en zich kan ontwikkelen voordat de rede verschijnt.
Biologie kan het ontstaan van leven nog niet ondubbelzinnig verklaren. Ze loopt hier meteen tegen het "kip en ei" probleem aan. Eiwitten zijn nodig om het eerste DNA te reproduceren en DNA is nodig om de eerste eiwitten te produceren.
Ze proberen deze moeilijkheid te omzeilen door te veronderstellen dat speciale moleculen, RNA, de eersten waren die naar voren kwamen en die hun eigen reproductie konden katalyseren. Deze katalyse leidde tot de opkomst van een hele wereld van verschillende RNA's, waaruit natuurlijke selectie materiaal begon te selecteren voor verdere complicatie. Maar het bestaan van een dergelijke autokatalyse is nog niet volledig bewezen, en het belangrijkste is dat het niet duidelijk is waarom de selectie van de beste RNA's zou hebben geleid tot het verschijnen van eiwitten (of DNA). De moderne biologie ondervindt ook moeilijkheden bij het verklaren van de verdere ontwikkeling van het leven.
Ze legt dit proces uit aan de hand van Darwins theorie, waarin evolutie wordt gepresenteerd als een langzaam, geleidelijk en continu proces van accumulatie en selectie van willekeurige kleine veranderingen (mutaties) in genen, dat vervolgens tot uitdrukking komt in even kleine veranderingen in organismen als geheel. Op deze manier, zo beweert de theorie, begonnen zich vanaf de eerste levende cel verschillende soorten cellen te ontwikkelen, die als takken van een boom groeiden, en vervolgens werden opgedeeld in nog talrijkere soorten organismen, en zo verder tot aan de persoon die deze 'levensboom' bekroonde.
In de afgelopen decennia hebben zich echter veel nieuwe feiten verzameld, die erop wijzen dat dit proces in werkelijkheid niet continu was. Het was eerder een intermitterende evolutie, waarin korte perioden van de snelle verschijning van nieuwe organismen in een bijna voltooide vorm werden vervangen door lange perioden van hun verdere fijnafstemming en fijnere fragmentatie in ondersoorten (Eldridge en Gould noemden dit proces gestippelde evolutie).
Veel auteurs hebben al geprobeerd deze aanpassingen aan Darwins theorie aan te brengen, maar zeer recent is de eerste generaliserende en zeer radicale hypothese verschenen, die Darwin 'corrigeert' met de hulp van Linde!
Deze hypothese is van de voortreffelijke moderne bioloog Evgeny Kunin van de National Institutes of Health in Bethesda (VS). Het werd door hem volledig beschreven in zijn recente boek 'The Logic of Randomness' en daarvoor - in twee artikelen met zeer opmerkelijke, zoals je nu zult zien, titels: 'The Cosmological Model of Eternal Inflation and the Transition from Randomness to Evolution in the History of Life' en 'The Model of the Biological Big explosie voor de belangrijkste overgangsmomenten van evolutie”. In het eerste artikel zegt Kunin zoiets als dit: “Het model van eeuwige inflatie, in tegenstelling tot het traditionele kosmologische model van een enkel, uniek universum, gaat ervan uit dat alle mogelijke sets van initiële fysieke condities willekeurig kunnen ontstaan en zich talloze keren kunnen herhalen in verschillende compartimenten van het multiversum.
Dit model wijst daarom ook op de mogelijkheid dat een oneindig aantal van de meest complexe systemen willekeurig in verschillende van dergelijke compartimenten verschijnen, zelfs als de kans dat elk afzonderlijk zich van een dergelijke complexiteit in elk afzonderlijk compartiment voordoet extreem klein is. Het leven op aarde vormt geen uitzondering op deze regel. We bestaan omdat in ons compartiment van het multiversum toevallig de hele reeks moleculen die zowel de reproductie van DNA als de constructie van eiwitten met zijn hulp leverden, tegelijk verscheen. De theorie van de eeuwige inflatie zegt dat in een eeuwig en zich eindeloos vermenigvuldigend multiversum het optreden van een dergelijk ongeval (zoals elk ander) noodzakelijk was, zodat de darwinistische evolutie geen RNA-wereld vereist en in wezen een onvermijdelijk gevolg is van het antropische principe.
In de inleiding van het tweede artikel schrijft Kunin: “In alle belangrijke stadia van biologische evolutie wordt hetzelfde scenario van de plotselinge verschijning van verschillende levende vormen van een nieuw niveau van complexiteit herhaald. Dit was het geval met het verschijnen van de eerste levende moleculen (RNA en eiwitten), de belangrijkste groepen virussen, twee klassen protozoa (archaea en bacteriën), de grondleggers van de superfamilie van eukarieten (cellen met een kern) en alle dierfamilies. Je zou kunnen denken dat al deze punten overgangen zijn van de ene, explosieve fase van evolutionaire ontwikkeling naar de andere, geleidelijk. De eerste, inflatoire, fase genereert zeer snel een enorme verscheidenheid aan nieuwe mogelijkheden voor de uitwisseling van genetische informatie (horizontale genoverdracht, recombinatie, fusie, deling, enz.), Terwijl in de tweede fase nieuwe levensvormen die op deze manier zijn ontstaan zich beginnen te ontwikkelen en vertakken. Dit proces lijkt op de geboorte van een nieuw universum in de theorie van eeuwige chaotische inflatie, waar als resultaat van de snelle expansie (meestal de oerknal genoemd) een nieuw compartiment van het multiversum wordt geboren, dat zich verder begint te ontwikkelen volgens zijn interne wetten. Daarom noemde ik de faseovergangen die hierboven in de levensgeschiedenis zijn geschetst 'biologische oerknal'.
Beide artikelen gaan verder met een gedetailleerde analyse en bewijs van de hypothesen die erin naar voren worden gebracht, maar hun hervertelling vereist een apart verhaal, en we kunnen alleen maar hopen dat het lot ons in staat zal stellen hierop terug te keren. Voor nu wil ik alleen zeggen: de duizelingwekkende ideeën van de moderne wetenschap onthullen bodemloze diepten, en de natuur heeft blijkbaar niet voor niets zoveel geprobeerd om dit instrument van haar zelfkennis te creëren.
Raphael Nudelman