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: 2014-10-05 08:42 pm (UTC)1. Смолин пишет, что есть некоторое критическое значение массы странного кварка, отвечающее за формирование нейтронных звезд. Если масса странного кварка меньше этого значения, то нейтронные звезды формируются одним способом, если больше -- другим. От способа формирования зависит масса: 1.5-2.0 солнечной в первом случае, и больше 2.5 во втором. Переход не непрерывный. Какое именно значение в нашей Вселенной и как формируются нейтронный звезды -- пока не известно. Чем меньше масса нейтронных звезд -- тем больше вероятность их образования, и больше вероятность образования черных дыр. То есть для подтверждения гипотезы Смолина о мультиверсе необходимо, чтобы "работал" первый вариант. Это фальсифицируемое предсказание.
2. Я понимаю логику Смолина следующим образом. Если подтвердится существование первичных черных дыр (через наблюдение их испарения, например), то надо будет объяснять более детально механизм их возникновения, например, вводить какое-то новое поле, отвечающее за расширение вселенной и возмущения, происходящие на начальном этапе. Это может быть либо новой теорией, либо расширением существующей. В любом случае, теория должна как-то предсказывать или объяснять количественный порядок первичных черных дыр. И он не может не зависеть от параметров. А следовательно, эти параметры могут быть оптимальными с точки зрения "выхода" первичных черных дыр или нет. Сплошные "если", но логика есть.
3. Смолин ссылается на статьи, в которых показано, что такие экзотические вселенные теоретически возможны.
> Вообще говоря, физическая теория должна быть не только фальсифицируемой, но все-таки еще и физической - проверяемой экспериментально/наблюдательно и позволяющей делать выводы о результатах будущих экспериментов/наблюдений. Тут ничего подобного не имеется.
Ну как же не имеется, когда все эти три гипотезы -- это предсказания теории (из требования максимума черных дыр), которые можно (косвенно) проверить экспериментально.
Понятно, что это все на границе. Но вопросы возникновения Вселенной -- они так или иначе всегда будут на границе. Основной посыл Смолина -- оставаться с научной стороны границы.
no subject
Date: 2014-10-06 01:42 pm (UTC)1. Работе Смолина десять лет. В ней он ссылается (несколько кривовато) на работу, сделанную еще десятью годами ранее. За прошедшее время эту идею изрядно обмусолили и, в общем, если не вдаваться в мелкие детали, то можно сказать, что сейчас это всего лишь один из многочисленных вариантов подхода к уравнению состояния вещества нейтронной звезды, но не более того. Соответственно, этот путь подтверждения можно считать закрытым.
2. Такой логика будет во всех без исключения моделях описания чего угодно. При этом сложность возникает уже на первом шаге - для обоснования появления реликтовых черных дыр никаких дополнительных полей и прочей "новой физики" не требуется.
3. Теоретически возможно все. Добиться непротиворечивости какой-либо модели (а в таких рассуждениях только непротиворечивость может служить критерием истинности) очень легко, поэтому из этих результатов ничего не следует.
Основной посыл, возможно, и в этом. Но на практике, как мне кажется, Смолин эту границу давно перешел. И, кстати, не только в работах на эту тему.
P.S. Прошу прощения за попадание комментария "не туда", но у Вас какой-то очень неудобный формат оформления журнала, в котором комментарии к текстам при редактировании оказываются выше, чем то, что комментируется.
no subject
Date: 2014-10-06 01:47 pm (UTC)А каков современный взгляд на космологию черных дыр? Он изменился за 10 лет или нет?
no subject
Date: 2014-10-06 02:11 pm (UTC)Все-таки космология - это раздел астрофизики, занимающийся происхождением и эволюцией Вселенной как единого объекта. Черные дыры - это немного другой класс объектов.
no subject
Date: 2014-10-06 02:16 pm (UTC)no subject
Date: 2014-10-06 02:25 pm (UTC)