Космическая эволюция
Oct. 5th, 2014 03:32 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
kaipaБыло бы более корректно назвать эту запись "Космический естественный отбор", но так больше соответствует предыдущим сериям на тему происхождения жизни. Впрочем, сейчас разговор пойдет немного о другом, хотя в некотором роде о том же самом.
Оказывается, известный физик Ли Смолин не только один из авторов теории петлевой квантовой гравитации (я о ней несколько лет назад писал, жаль картинки потерялись). Ему принадлежит идея и теория космологического естественного отбора (CNS, Cosmological Natural Selection). Эта теория мультиверса, но организованного таким специальным образом, что она фальсифицируема (![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
fat_crocodile и russhatter, внимание!), то есть полностью научна.
Смолин впервые высказал эту идею в 1992г, в 1999 вышла научно-популярная книга "The Life of the Cosmos", но я прочитал его более позднюю статью 2004г "Научные альтернативы антропному принципу", которая в большей степени обращена к научному сообществу. Мне кажется, что я понял основные мысли, и могу их попытаться изложить. Но заранее прошу прощения у тех, кто лучше меня понимает эти вопросы, за дилетантизм.
В первой части статьи Смолин критикует антропный принцип и произвольный мультиверс, как ненаучные, потому что не фальсифицируемые. Однако, он предлагает выход, как именно может быть устроен мультиверс, чтобы теория давала фальсифицируемые предсказания. А именно:
1. Теория мультиверса должна порождать не случайный ансамбль вселенных. Не случайность понимается в контексте неравномерности распределения фундаментальных констант физических теорий.
2. Почти все вселенные из этого ансамбля должны обладать неким свойством, которое не следует из известных законов физики либо необходимых условий для существования жизни. Т.е. вселенные без этого свойства существовать в принципе могут, и существованию жизни это не обязательно противоречит.
3. Должен быть теоретически осуществимый эксперимент по проверке выполнения этого свойства в нашей Вселенной.
Это довольно общие требования к теории, и они далеки от антропного принципа. Почему подобная теория фальсифицируема? Если будет обнаружено, что наша Вселенная не обладает указанным свойством, то это будет означать, что она не принадлежит ансамблю из пункта 1.
Осталось построить такую теорию.
Смолин замечает, что проблема фундаментальных физических констант, которых довольно много, они кажутся тонко "настроены" именно так, чтобы могли существовать галактики и звезды, напоминает проблемы, с которыми сталкивается биология, при объяснении генетического кода и сложности земных организмов. Тем не менее в биологии теория естественного отбора позволяет ответить на вопрос, почему и как развились настолько сложные системы. Смолин предлагает использовать успешную зарекомендовавшую себя методологию. А если более точно, он предлагает принять три гипотезы:
1. Вселенные рождаются и умирают в результате длинного цепного процесса (то есть одна вселенная порождает другие, и т.д.).
2. В пространстве безразмерных параметров P стандартных моделей физики и космологии существует функция выживания (fitness function) F(p) на P, равная числу новых вселенных, порожденных вселенной с параметрами p.
3. Каждая новая вселенная имеет параметры p', которые случайным образом незначительно отличаются от параметров вселенной, которая является ее непосредственным предком. Незначительно в смысле изменения F(p').
Эти гипотезы похожи на то, что происходит в биологической жизни или в искусственных генетических алгоритмах. В результате многих итераций популяция вселенных сойдется к локальному максимуму F(p ). Этого уже достаточно, чтобы сделать как минимум одно существенное наблюдаемое и фальсифицируемое предположение, которое следует из оптимальности F( p): непрерывное изменение параметров нашей Вселенной приведет в первую очередь (то есть в окрестности) к уменьшению F( p).
Все это осталось бы игрой ума, но в реальности действительно существует механизм, по которому вселенная может порождать новые вселенные с близкими, но не обязательно идентичными, свойствами. Как и почти все в космологии -- на уровне гипотезы, но гипотезы уверенной и общепризнанной. Это прыжки или отскоки черных дыр (black hole bouncing). Подробнее об этой гипотезе, но с кучей незнакомых слов есть в википедии (Космология черной дыры).
Современная космология довольно хорошо понимает условия, при которых возникают новые черные дыры. Смолин приводит некоторые фундаментальные величины, даже незначительное изменение которых разрушит или усложнит процесс образования черных дыр, а именно:
- разница между массами протона и нейтрона
- масса электрона
- масса нейтрино
- постоянная тонкой структуры и другие безразмерные константы взаимодействия
- константа взаимодействия Ферми (не знаю, как правильно по-русски: Fermi coupling constant, G Fermi)
Однако, радоваться пока что рано, так как изменения этих параметров приведут и к невозможности жизни, поэтому утверждать, что это локальный экстремум -- нельзя. Возможно, что жизнь просто не могла зародиться при другой комбинации, и нам повезло наблюдать именно эту. Фальсифицируемых предсказаний пока нет. Необходимо найти что-то, что не влияет непосредственно на жизнь, но влияет на возникновение черных дыр. Кроме того, теория должна сделать предсказание о каких-то пока еще не измеренных параметрах. Смолин приводит три таких гипотезы-предсказания. Update: более подробно гипотезы раскрыты в комментарии ниже.
1. Есть гипотеза, что для оптимального образования черных дыр масса нейтронных звезд не должны быть больше 1.5-2.5 солнечных. Почему так -- я не понял, да это и не важно. Суть в том, что если обнаружатся нейтронные звезды массой 2.5 и больше, это будет означать, что наша Вселенная не оптимальна. Когда Смолин писал статью, самая тяжелая нейтронная звезда была массой около 1.5, сейчас -- около 2.0.
2. Есть гипотеза о существовании первичных (primordial) черных дыр. Если существование таких черных дыр будет обнаружено (доказано) на самом деле (через изучение реликтового излучения, насколько я понял), и если вероятность их возникновение регулируется какими-нибудь (пока еще не известными) параметрами, и если эти параметры не оптимальны -- то это будет означать, что наша Вселенная не оптимальна.
3. Есть гипотеза, что возможны вселенные без стабильных nuclear bound states -- я не понял, что это значит по-русски. Если выяснится, что в таких вселенных, количество черных дыр больше, то это опять же будет означать, что наша Вселенная не оптимальна. Эта гипотеза, однако, делает невозможной и жизнь, поэтому вряд ли подходит под высказанные выше критерии.
Эти идеи вызвали довольно большой резонанс и полемику в научном сообществе, но до ее изучения я пока не добрался. Насколько я понимаю, пока что ни одна из трех гипотез про параметры, неоптимальность которых может уменьшить количество черных дыр в нашей Вселенной, не закрыта.
Update.
Из комментариев мне показалось, что не совсем понятная логическая цепочка, которую предлагает и обосновывает Смолин.
1. Есть общий способ построения фальсифицируемых теорий мультиверса.
2. Под этот способ из известных сегодня явлений подходит космологическая теория черных дыр (гипотеза). Ее преимущество состоит также в том, что она объясняет возникновение "тонкой настройки" фундаментальных констант (ради этого все и затеяно). Но могут быть и другие, мы ничего не знаем об этом пока.
3. В рамках этой гипотезы есть некоторые известные и потенциально могущие стать известными параметры, измерение которых сможет ее фальсифицировать.
4. Фальсифицируемость ничего не скажет о том, есть ли мультиверс, а только о том, что если он есть, то устроен другим образом.
Update 2:
Если совсем кратко, то Смолин предложил конструкцию, которая:
1) объясняет тонкую настройку многих известных фундаментальных параметров (результат "естественного отбора" по функции максимизации "выхода" черных дыр)
2) предсказывает значения или диапазоны известных, но пока неопределенных точно, или неизвестных, но потенциально возможных параметров
Оказывается, известный физик Ли Смолин не только один из авторов теории петлевой квантовой гравитации (я о ней несколько лет назад писал, жаль картинки потерялись). Ему принадлежит идея и теория космологического естественного отбора (CNS, Cosmological Natural Selection). Эта теория мультиверса, но организованного таким специальным образом, что она фальсифицируема (
fat_crocodile и russhatter, внимание!), то есть полностью научна. Смолин впервые высказал эту идею в 1992г, в 1999 вышла научно-популярная книга "The Life of the Cosmos", но я прочитал его более позднюю статью 2004г "Научные альтернативы антропному принципу", которая в большей степени обращена к научному сообществу. Мне кажется, что я понял основные мысли, и могу их попытаться изложить. Но заранее прошу прощения у тех, кто лучше меня понимает эти вопросы, за дилетантизм.
В первой части статьи Смолин критикует антропный принцип и произвольный мультиверс, как ненаучные, потому что не фальсифицируемые. Однако, он предлагает выход, как именно может быть устроен мультиверс, чтобы теория давала фальсифицируемые предсказания. А именно:
1. Теория мультиверса должна порождать не случайный ансамбль вселенных. Не случайность понимается в контексте неравномерности распределения фундаментальных констант физических теорий.
2. Почти все вселенные из этого ансамбля должны обладать неким свойством, которое не следует из известных законов физики либо необходимых условий для существования жизни. Т.е. вселенные без этого свойства существовать в принципе могут, и существованию жизни это не обязательно противоречит.
3. Должен быть теоретически осуществимый эксперимент по проверке выполнения этого свойства в нашей Вселенной.
Это довольно общие требования к теории, и они далеки от антропного принципа. Почему подобная теория фальсифицируема? Если будет обнаружено, что наша Вселенная не обладает указанным свойством, то это будет означать, что она не принадлежит ансамблю из пункта 1.
Осталось построить такую теорию.
Смолин замечает, что проблема фундаментальных физических констант, которых довольно много, они кажутся тонко "настроены" именно так, чтобы могли существовать галактики и звезды, напоминает проблемы, с которыми сталкивается биология, при объяснении генетического кода и сложности земных организмов. Тем не менее в биологии теория естественного отбора позволяет ответить на вопрос, почему и как развились настолько сложные системы. Смолин предлагает использовать успешную зарекомендовавшую себя методологию. А если более точно, он предлагает принять три гипотезы:
1. Вселенные рождаются и умирают в результате длинного цепного процесса (то есть одна вселенная порождает другие, и т.д.).
2. В пространстве безразмерных параметров P стандартных моделей физики и космологии существует функция выживания (fitness function) F(p) на P, равная числу новых вселенных, порожденных вселенной с параметрами p.
3. Каждая новая вселенная имеет параметры p', которые случайным образом незначительно отличаются от параметров вселенной, которая является ее непосредственным предком. Незначительно в смысле изменения F(p').
Эти гипотезы похожи на то, что происходит в биологической жизни или в искусственных генетических алгоритмах. В результате многих итераций популяция вселенных сойдется к локальному максимуму F(p ). Этого уже достаточно, чтобы сделать как минимум одно существенное наблюдаемое и фальсифицируемое предположение, которое следует из оптимальности F( p): непрерывное изменение параметров нашей Вселенной приведет в первую очередь (то есть в окрестности) к уменьшению F( p).
Все это осталось бы игрой ума, но в реальности действительно существует механизм, по которому вселенная может порождать новые вселенные с близкими, но не обязательно идентичными, свойствами. Как и почти все в космологии -- на уровне гипотезы, но гипотезы уверенной и общепризнанной. Это прыжки или отскоки черных дыр (black hole bouncing). Подробнее об этой гипотезе, но с кучей незнакомых слов есть в википедии (Космология черной дыры).
Современная космология довольно хорошо понимает условия, при которых возникают новые черные дыры. Смолин приводит некоторые фундаментальные величины, даже незначительное изменение которых разрушит или усложнит процесс образования черных дыр, а именно:
- разница между массами протона и нейтрона
- масса электрона
- масса нейтрино
- постоянная тонкой структуры и другие безразмерные константы взаимодействия
- константа взаимодействия Ферми (не знаю, как правильно по-русски: Fermi coupling constant, G Fermi)
Однако, радоваться пока что рано, так как изменения этих параметров приведут и к невозможности жизни, поэтому утверждать, что это локальный экстремум -- нельзя. Возможно, что жизнь просто не могла зародиться при другой комбинации, и нам повезло наблюдать именно эту. Фальсифицируемых предсказаний пока нет. Необходимо найти что-то, что не влияет непосредственно на жизнь, но влияет на возникновение черных дыр. Кроме того, теория должна сделать предсказание о каких-то пока еще не измеренных параметрах. Смолин приводит три таких гипотезы-предсказания. Update: более подробно гипотезы раскрыты в комментарии ниже.
1. Есть гипотеза, что для оптимального образования черных дыр масса нейтронных звезд не должны быть больше 1.5-2.5 солнечных. Почему так -- я не понял, да это и не важно. Суть в том, что если обнаружатся нейтронные звезды массой 2.5 и больше, это будет означать, что наша Вселенная не оптимальна. Когда Смолин писал статью, самая тяжелая нейтронная звезда была массой около 1.5, сейчас -- около 2.0.
2. Есть гипотеза о существовании первичных (primordial) черных дыр. Если существование таких черных дыр будет обнаружено (доказано) на самом деле (через изучение реликтового излучения, насколько я понял), и если вероятность их возникновение регулируется какими-нибудь (пока еще не известными) параметрами, и если эти параметры не оптимальны -- то это будет означать, что наша Вселенная не оптимальна.
3. Есть гипотеза, что возможны вселенные без стабильных nuclear bound states -- я не понял, что это значит по-русски. Если выяснится, что в таких вселенных, количество черных дыр больше, то это опять же будет означать, что наша Вселенная не оптимальна. Эта гипотеза, однако, делает невозможной и жизнь, поэтому вряд ли подходит под высказанные выше критерии.
Эти идеи вызвали довольно большой резонанс и полемику в научном сообществе, но до ее изучения я пока не добрался. Насколько я понимаю, пока что ни одна из трех гипотез про параметры, неоптимальность которых может уменьшить количество черных дыр в нашей Вселенной, не закрыта.
Update.
Из комментариев мне показалось, что не совсем понятная логическая цепочка, которую предлагает и обосновывает Смолин.
1. Есть общий способ построения фальсифицируемых теорий мультиверса.
2. Под этот способ из известных сегодня явлений подходит космологическая теория черных дыр (гипотеза). Ее преимущество состоит также в том, что она объясняет возникновение "тонкой настройки" фундаментальных констант (ради этого все и затеяно). Но могут быть и другие, мы ничего не знаем об этом пока.
3. В рамках этой гипотезы есть некоторые известные и потенциально могущие стать известными параметры, измерение которых сможет ее фальсифицировать.
4. Фальсифицируемость ничего не скажет о том, есть ли мультиверс, а только о том, что если он есть, то устроен другим образом.
Update 2:
Если совсем кратко, то Смолин предложил конструкцию, которая:
1) объясняет тонкую настройку многих известных фундаментальных параметров (результат "естественного отбора" по функции максимизации "выхода" черных дыр)
2) предсказывает значения или диапазоны известных, но пока неопределенных точно, или неизвестных, но потенциально возможных параметров
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2015-05-16 09:10 pm (UTC)Играет ли кто-то в кости в биологической эволюции? Мутации случайны. Скрещивание случайно. Случайность в данном случае -- это не игра в кости, а результат очень неустойчивых процессов, предсказать результаты которых можно только обладая бесконечной информацией, что невозможно. В рождениями новых Вселенных примерно то же самое, считает Смолин. Механизм непонятен. Но и Дарвин не понимал механизм эволюции (изменения ДНК), что не помешало ему построить эволюционную теорию.
no subject
Date: 2015-05-17 07:25 am (UTC)Могу только отметить, что в постановке вопроса "почему константы именно такие" прослеживается наследие обсуждений схоластов о волюнтаризме бога. У Аристотеля бог был просто отражением свойств вселенной, какова вселенная, таков и бог. У схоластов же христианский бог создал вселенную из ничего, при этом, как заметил Августин, бог создал вселенную вместе с пространством и временем (кстати современной космология с радостью ухватилось за решение Августина).
Так вот, при создании вселенной из ничего возникает вопрос, мог ли бог создать другую вселенную или бог был обязан создать именно такую вселенную, которую он создал. Тут мнения расходились. Одни говорили, что бог мог создать любую вселенную (волюнтаризм бога) и единственное ограничение на бога заключалось в логической непротиворечивости: нарушить законы логики было слабо даже христианскому богу. Лейбниц же (заметьте, что Смолин очень любит принцип достаточного обоснования Лейбница) выдвинул теорию о том, что бог был просто обязан создать наилучший из всех возможных миров и таким образом выбора при создании вселенной у бога просто не было.
P.S. Про ваш фундаментальный вопрос есть вот такая статья другого известного физика (доступно в Интернет)
Paul Davies, The nature of the laws of physics and their mysterious biofriendliness, Euresis Journal 5, 117-138 (2013)
Только Пол Дэвис отталкивается от интерпретации квантовой механики Джона Уилера, основанную на эксперименте «с отложенным выбором», и у него разум в поздние времена меняет законы физики во времена большого взрыва (Quantum mechanics could permit the feedback loop between mind and the laws of physics).
no subject
Date: 2015-05-17 10:38 pm (UTC)no subject
Date: 2015-05-18 06:52 pm (UTC)Например, если рассмотреть переход от парадигмы Аристотеля к тому, что Смолин называет ньютоновской парадигме, то можно сказать, что объяснение по сути дела было просто заменено описанием.
no subject
Date: 2015-05-19 09:50 am (UTC)Если будет когда-то построена теория, которая объяснит тонкую настройку Вселенной, то она попутно предскажет и что-то другое, пока неизвестное. Смолин в своей теории делает три таких предсказания.
Точно так же, объяснение строения атомного ядра или стандартная модель, например, дали миллион предсказаний.
no subject
Date: 2015-05-20 06:12 pm (UTC)К слову сказать, законы Ньютона также были описанием, поскольку например природа сил гравитации никак не объяснялась. Сам Ньютон был уверен, что закон гравитации доказывал существование бога.
Также непонятно, как остановить регресс в объяснениях. Предположим физикам удастся найти исходное фундаментальное уравнение без подгоночных параметром, которое описывает вселенную. Будет ли это объяснение, про которое вы говорите? Однако даже в этом случае останется вопрос, почему это уравнение описывает вселенную и почему человек в состоянии найти это уравнение.
Переход к рассмотрению всей Вселенной наталкивается на еще одну серьезную проблему, которая в том, что я пока у Смолина услышал, даже не упоминалась. Ведь требуется рассмотреть самого ученого как природное явление и например ответить на вопрос, есть у ученого свобода воли. Например Хокинг в своей книге Высший замысел сходу заявляет, что свобода воли это иллюзия и человек является биологической машиной. Однако он забываеть применить это утверждение к себе, себя он оставляет вне природы на уровне бога.
no subject
Date: 2015-05-22 11:13 am (UTC)> Также непонятно, как остановить регресс в объяснениях. Предположим физикам удастся найти исходное фундаментальное уравнение без подгоночных параметром, которое описывает вселенную. Будет ли это объяснение, про которое вы говорите?
Это будет объяснение ровно того, что оно объяснит, прошу прощения за тафтологию :) Научное знание бесконечно, и под каждым уровнем нашего понимания устройства мироздания, будет открываться следующий
> Переход к рассмотрению всей Вселенной наталкивается на еще одну серьезную проблему, которая в том, что я пока у Смолина услышал, даже не упоминалась. Ведь требуется рассмотреть самого ученого как природное явление и например ответить на вопрос, есть у ученого свобода воли.
А зачем? Какая связь между свободой воли и познанием?
no subject
Date: 2015-05-23 07:40 am (UTC)К связи познания и свободы воли я приведу вам один ответ из обсуждения Ученые без свободы воли:
«Мы живем так, словно каждый делает выбор. Тем не менее, может быть так, что это просто сложный набор связей в мозгу, разные гормоны и т.д. заставляют человека поступить так, или иначе. Как и сейчас заставляют меня писать этот комментарий. Хотя мне кажется, что я могу выбирать — буду я его писать, или нет.»
no subject
Date: 2015-05-24 09:30 pm (UTC)По-моему, бытует мнение, что наука -- это множество сопрягающихся между собой теорий. И укрупнения этих теорий не видно, наоборот, появляются все новые и новые в разных областях. Супер-теории вроде квантовой механики задают фон, ландшафт, на котором "работают" частные теории. Если обратиться к математике, например, то есть абстрактные разделы, вроде всяких алгебраических топологий, но они не отменяют анализ, хотя изучаемые им объекты лишь частные случаю с точки зрения общих теорий. На разном масштабе проявляются разные свойства.
no subject
Date: 2015-05-25 06:21 am (UTC)no subject
Date: 2015-05-25 12:15 pm (UTC)Поэтому, с моей точки зрения, объяснение тонкой настройки Вселенной, если такое произойдет, поставит вопросы другого системного уровня. Возможно такого, который мы пока даже представить еще не можем.
no subject
Date: 2015-05-25 02:15 pm (UTC)"Гипотеза о метазаконе может вести к бесконечной регрессии (на вопрос, почему действует именно этот метазакон , можно ответить: таков метаметазакон, и так далее)."
"Но я думаю, что дилемма метазаконов, напротив, открывает большие возможности, провоцирует на построение нового вида теории. Я убежден, что ее решение станет ключевым для прорыва в космологии и фундаментальной физике в XXI веке."
no subject
Date: 2015-06-09 10:26 am (UTC)