Antropický princip podzim 2018 1 Vývoj kosmologických představ: od mýtů, fantazií a spekulací k ověřeným poznatkům moderní vědy Zformulování Einsteinovy teorie gravitace a propojení s fyzikou učinilo z kosmologie vědu Ukázalo se, že vesmír se vyvíjí (má “dějiny”) - zvláštní povaha ověřování (nevíme, nakolik je část, kterou pozorujeme, známa a nakolik je pro vesmír reprezentativní) Kosmologie jako věda Základní kosmologické otázky: • co je vesmír • jaká je jeho struktura • jeho vznik a vývoj, jeho budoucnost • z čeho je složen • jak je stár • jakými zákony se řídí jeho vývoj Východisko kosmologie: Vesmír je popsatelný na úrovni základních fyzik. zákonů (obecná teorie relativity a standardní model částic) Homogenita a isotropie ve velkém měřítku - zobecněný Kopernikův princip) Platnost zákonů - signály z vesmíru, sondy, pozemské laboratoře Metody kosmologie: tvorba matematických modelů vesmíru, předpovědi a srovnání s pozorováním 2 Vývoj představ od spekulativní, často ideolog. nauky se po formulaci OTR se změnila v moderní vědu opřenou o relevantní pozorování: např. stáří vesmíru (13,7±0,2) mld let dnes známe s přesností lepší než 2%! Východisko kosmologie •vesmír studujeme na úrovni základních fyzikálních zákonů (možná sporné, ale nic lepšího se nenabízí - vesmír obsahuje vše, z vesmíru známe jen malou část, její vlastnosti extrapolujeme na vesmír jako celek.*** Platnost zákonů se ověřuje pozorováním na zemi a v laboratořích– zde se nepracuje s hlavní – temnou složkou vesmírné látky. Metoda kosmologie •tvorba matematických modelů vesmíru zachycujících formou diferenciálních rovnic jeho rozhodující vlastnosti – srovnání s pozorováním *** vesmír je popsatelný známými fyzikálními zákony- Hlavní argument pro toto tvrzení poskytuje spektroskopie. Podařilo se identifikovat spektrální čáry vysílané vše-možnými nebeskými objekty s příslušnými čárami látek zjištěnými v pozemských laboratořích. Z toho plyne, že pozorovaná vesmírná tělesa jsou složena z téže hmoty jako Země a sluneční soustava. I ve vzdálených hvězdách, galaxiích či kvasarech nacházíme stejné chemické prvky a sloučeniny. To znamená, že tam platí i stejné fyzikální zákony), jinak by struktura atomů a molekul (a tudíž i jejich spektra) byla odlišná. Samozřejmě, při extrapolaci „pozemských fyzikálních zákonů je nutná obezřetnost, zatím ale vše nasvědčuje tomu, že celý pozorovaný vesmír je pozoruhodně jednotný: je ovládán stejnými zákony Nobelovy ceny uděleny za kosmologii. za první detekci mikrovlnného kosmického pozadí z roku 1965. za objevy dosažené při výzkumu mikrovlnného záření (COBE za objev zrychlujícího se rozpínání vesmíru pozorováním vzdálených supernov za teoretický a experimentální výzkum jaderných reakcí důležitých pro vývoj chemických prvků ve vesmíru Doplnil bych (po Einsteinových rovnicích) Vyvíjející se (dějinný) vesmír – Fridman, Lemaitre O zvláštnostech poznávání vesmíru, druhá položka – formuloval bych jako otázku: Jak velkou část vesmíru známe? Je už dostatečně representativní? Tuto otázku lze chápat různě: a) podle výplně známe pouze několik procent, temná hmota a energie jsou de facto neznámé věci; b) z hlediska prostorové rozlohy nelze odpovědět, nevíme ani, je-li vesmír konečný či nekonečný, principiálně je pozorovatelná pouze konečná část vesmíru, ale ani o té nevíme, jak je velká (inflace); c) co do času naše znalosti se cestou k počátku vesmíru stávají méně spolehlivými. Zde možná nějaká základní přelomová data ve vývoji vesmíru – vznik atomů, odtržení reliktního záření, dominance temní energie vNaše Galaxie (∅ 100 000 ly), spirální typ s 2 hlavními rameny, Mléčná dráha -stříbrný pás hvězd, (lidově se tak označuje naše Galaxie). Mléčná dráha je však jen malá část Galaxie pozorovatelná ze Země. vDvě ramena: rameno Střelce a rameno Orionu. Naše Galaxie patří spolu s mnoha ostatními do Místní skupiny galaxií. vGalaktické jádro naší galaxie - 7,6 kiloparseku (23,5 .1013 km) od Země. vV naší galaxii je více než 100 miliard hvězd. Mnohé zřejmě mají patrně planetární systém či alespoň jednu planetu, která kolem ní obíhá. 3 MÍSTNÍ SOUSTAVA? Naše galaxie patří do kupy galaxií nazývané Místní soustava. Obsahuje přibližně 30 galaxií včetně blízkých sousedů, galaxie v Andromedě a Magellanova mračna, které můžeme pozorovat i pouhým okem. Většina galaxií je eliptická nebo nepravidelná. Země vzácná planeta ? 4 Úvodní slovo pro kosmologické perspektivy, lidstvo na zemi jako posádka Kosmické lodi, vzácné či ne souhra několika okolností: Celá Sluneční soustava se nachází v obyvatelné zóně Galaxie s dostatkem těžších elementů na zformování kamenné planety, ale přitom daleko od jejího středu a od oblastí s intenzivní tvorbou hvězd, jež jsou zaplaveny vysokoenergetickým zářením. Země je kromě toho obklopena magnetosférou, která povrch planety před přímými účinky kosmického záření chrání Jaké podmínky vznik života umožnily? Kde hledat život... ? Ideální planeta – souhra okolností: Sluneční soustava -obyvatelná zóna Galaxie s dostatkem těžších prvků na zformování kamenné planety, přitom daleko od jejího středu a od oblastí s intenzivní tvorbou hvězd, jež jsou zaplaveny vysokoenergetickým zářením. Teplota, záření --- „správná“ vzdálenost planety od Slunce, osamocené hvězdy -- stabilita orbity, Magnetosféra, adekvátní velikosti pro g, sklon rotační osy - celoplanetární klima Co je život ? --- křehká rovnováha J. Segal říká: "... Úkolem živého těla je vlastně balancovat s tisícem holí. Pokud se mu to podaří ,, zůstává naživu. " Země, unikátní planeta, na které se rozvinul život 5 Mezi živou a neživou přírodou existuje mimo jiné zásadní rozdíl v tom, že kámen se o své existenci nedumá a nijak se o ni nestará, prostě přetrvává, dokud chemické vazby nebo termodynamické procesy neprojdou změnou, tak živý tvor ke své existenci přistupuje jinak. žije --- co je život? Předně potřebuje metabolismus, který brání růstu entropie a rozpadu živé hmoty… Tento pojem se objevil na konferenci, která se konala ku příležitosti oslav 500. výročí narození Mikuláše Koperníka v Krakově v 1973, když je zmínil kosmolog Brandon Carter, a to ve dvou verzích. "Slabá" verze konstatuje skutečnost, že svět je právě takový, že na něm mohl vzniknout život. "Silná" verze říká, že do základů vesmíru byly vloženy takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život musil vzniknout.1V současné době se nejčastěji hovoří o čtyřech verzích antropického principu, někteří autoři však uvádějí i jiné počty.2 K jednotlivým modelům i myšlenkovým východiskům se dostaneme vzápětí. Zajímavé je, jakým způsobem k nim přistupovat. Zdali na základě přírodovědeckého přístupu prokazatelnosti, jak nabádá současná pozitivistická věda, či pohledem aristotelovsky orientovaným, který by zajímalo spíše to, zda jsou tyto úvahy udržitelné tak, aby neodporovaly pozorovaným jevům. Východiska Cartera nejsou nikterak filosofická, ale spíše kosmologická (ve smyslu fyzikálním) a matematická. Fyzikální povaha námi pozorovaného vesmíru, je určena několika základními fyzikálními konstantami (které ale nejsou vzájemně nezávislé), totiž: •rychlostí světla c; •Planckovou konstantou h; •gravitační konstantou G; •hmotností protonu mp; •hmotností elektronu me; •elektrickým nábojem elektronu e; •Hubblovou konstantou Ho; •průměrnou hustotou vesmíru σo.3 George J. Stoney (1826–1911) e, G, c Max Planck (1882–1947, Nobel. cena za fyziku 1918) h, G, c mpl = (hc/G) 1/2 = 5,56.10–5 g lpl = (Gh/c3) 1/2 = 4,13.10–33 cm tpl = (Gh/c5) 1/2 = 1,38.10–43 s Přirozené jednotky - předtuchy k antropickému principu „univerzální konstanty“ - stavební kameny teoretické fyziky.“ Klademe si otázky: Jaký je skutečný smysl těchto konstant? Jsou pouhým výtvorem mysli nebo mají fyzikální obsah nezávislý na lidské inteligenci? 6 AP pojem se objevil na konferenci, která se konala ku příležitosti oslav 500. výročí narození Mikuláše Koperníka v Krakově v 1973, když je zmínil kosmolog Brandon Carter, a to ve dvou verzích. "Slabá" verze konstatuje skutečnost, že svět je právě takový, že na něm mohl vzniknout život. "Silná" verze říká, že do základů vesmíru byly vloženy takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život musil vzniknout.1 V současné době se nejčastěji hovoří o čtyřech verzích antropického principu, někteří autoři však uvádějí i jiné počty.2 K jednotlivým modelům i myšlenkovým východiskům se dostaneme vzápětí. Zajímavé je, jakým způsobem k nim přistupovat. Zdali na základě přírodovědeckého přístupu prokazatelnosti, jak nabádá současná pozitivistická věda, či pohledem aristotelovsky orientovaným, který by zajímalo spíše to, zda jsou tyto úvahy udržitelné tak, aby neodporovaly pozorovaným jevům. povaha pozorovaného vesmíru je určena několika základními konstantami: rychlostí světla c; Planckovou konstantou h; gravitační konstantou G; hmotností protonu mp; hmotností elektronu me; elektrickým nábojem elektronu e; a současnými hodnotami časově proměnných kosmologických veličin: Hubbblovým parametrem Ho; průměrnou hustotou vesmíru σo . Kosmologické podklady k Antropickému principu: Fyzikálně zajímavá bezrozměrná čísla vytvořená z těchto veličin jsou řádově rovna 100 nebo 1040 nebo 1080. Zejména: poměr gravitační potenciální energie částice ve vesmíru k její klidové energii je řádu 100 poměr elektromagnetické síly k síle gravitační je řádu 1040, poměr poloměru vesmíru k poloměru protonu je řádu 1040, poměr hmotnosti vesmíru k hmotnosti protonu je řádu 1080. 7 Něco přidat? Toto zjištění (koincidence velkých čísel) vedlo k tomu, že fyzikové začali hledat jejich hlubší vysvětlení. Paul Dirac 1937 vyslovil hypotézu, že tyto koincidence platí nejen pro současný vesmír, ale i pro vesmír v minulosti a v budoucnosti. Podle toho by se však některé konstanty (např. gravitační konstanta) musely měnit s časem. Proti tomu namítal Robert Dicke 1961, že gravitační konstanta se s časem nemění, ale časově omezena je platnost koincidence, která ji obsahuje. My můžeme žít jen v časovém období jeho vývoje, v němž příslušná koincidence platí. V tomto smyslu je pozorované stáří vesmíru nutnou podmínkou naší existence (a také existence inteligentních pozorovatelů či života ve vesmíru). Tuto myšlenku v obecnější podobě podal Brandon Carter (1973), který zavedl název „antropický princip“ a rozlišil různé jeho podoby. Debata o koincidencích 8 Kosmické koincidence Carterovo vysvětlení koincidencí (Krakow 1973) Modely Vesmíru Cesta k současné formulaci Antropického principu 9 Antropický princip Je Vesmír uzpůsoben pro naši existenci? Nový termín (Carter 1973), stará otázka William Paley (1743-1806) „Když půjdu po polní cestě a najdu na ní krásné zlaté hodinky, možná nevím, komu patřily, ale jedna věc je jistá. Musel být hodinář, který je vytvořil.“ Účelnost v přírodě, hlavní argumenty z biologie Pierre Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759) Hospodárnost přírody, nejmenší akce Variační principy, hlavní argumenty z matematické fyziky 10 Slabá verze (WAP) - „Pozorované hodnoty fyzikálních veličin nejsou stejně pravděpodobné, ale nabývají jen takových hodnot, které umožňují vznik míst ve vesmíru, ve kterých může vzniknout život založený na uhlíku a udržet se po dostatečně dlouhou dobu.“ (B. Carter, 1973) Rozšíření slabé verze - Existuje silné omezení na možné hodnoty základních konstant fyziky v našem vesmíru. Princip v této podobě se opírá o představu „ mnohovesmíru“, kde každý jednotlivý vesmír má své hodnoty konstant a možná i fyzikálních zákonů (B. Carter, 1973) Silná verze (SAP) - Vesmír má takové parametry, aby nutně vedl k existenci inteligentního pozorovatele v některém ze stádií svého vývoje. (Barrow, Tipler: Cosmological anthropic principle). Dvě základní verze AP „do základů vesmíru byly vloženy právě takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život vzniknout musel“. 11 AP zformuloval v r 1993 kosmolog Brandon Carter. AP vesmíru popsal hned ve dvou podobách. V takzvané „slabé verzi“ nám říká, že svět je právě takový, že na něm mohl vzniknout život. Včetně lidí. Nejde o nic jiného, než o představu jedinečnosti. Na jedinečnost rádi slyšíme. Jinak řečeno, pokud by konstanty vesmíru byly jen nepatrně odlišné, život, jak ho známe, by nevznikl. Ani my. Vedle této slabší a jen popisné verze, šel Carter dál a formuloval i „silnější“ verzi. Ta již říká, že do základů vesmíru byly vloženy právě takové specifické informace, aby v něm zákonitě inteligentní život vzniknout musel. •Fred Hoyle a tvoření uhlíku helium + helium → berylium. berylium + helium → uhlík? uhlík + helium → kyslík. α = 0.007297351 +/− 0.000000006 ≅ 1/137 Hoyle_b \alpha\ =\ \frac{e^2}{\hbar c \ 4 \pi \epsilon_0}\ =\ \frac{e^2 c \mu_0}{2 h}\ =\ 7.297\,352\,570(5) \times 10^{-3}\ =\ \frac{1}{137.035\,999\,070(98)} Konstanta jemné struktury : Delikátní vyvážení --- změna na 5. desetinném místě –> nemohly by existovat atomy etc. lyre04 Proč jsou přírodní konstanty takové, jaké jsou 12 Antropický princip a logika Modus ponens Běžné použití: P Je čtvrtek dopoledne. Q Jan je v knihkupectví . Slabý antropický princip: P Existují myslící bytosti . Q Vesmírný prostor má křivost zhruba rovnou nule. Silný antropický princip: P Existence myslících bytostí tvořících civilizaci je ve vesmíru je nutná Q Naše civilizace není jediná Popperovský problém Vědecké = testovatelné – je AP testovatelný? 13 Výsledky Antropického principu - úvahy: Od naší (nepopíratelné) existence lze dojít k objevným závěrům týkajících se Vesmíru Příklady: -Výběr kosmologického modelu (kdyby již nebyl znám) -Existence speciálních energetických hladin v atomových jádrech (Hoyle 1954, Epelbaum 2011) Problém “vzácnosti“ -Hodnoty parametrů kosmologických modelů a fyzikálních konstant umožňující naši existenci leží v úzkých intervalech – jemné vyladění 14 Vysvětlení? -Otázka zůstává otevřena -Mnohost světů -Hlubší základní princip - -Smysl existence Vesmíru A co to vědomí a „duše“? Jiné varianty antropického principu Změna přístupu vědců k otázce vědomí – kvantová fyzika, počítače 15 Nejvyšší cíl fyziky: Hledání univerzální teorie. •Další varianty AP •Finální princip: •Komplexita na úrovni potřebné pro život, je-li jednou dosažena, bude existovat navždy. (Tipler) •Účastnický princip: •Podle Kodaňského výkladu kvantové teorie jev neexistuje, dokud není pozorován, pozorovatel je tedy potřebný, aby dal vesmíru smysl. (Wheeler) • 16 17 18 19 Drakeova rovnice 𝑁 = 𝑅 ⋅ 𝑓𝑝 ⋅ 𝑛𝑒 ⋅ 𝑓𝑙 ⋅ 𝑓𝑖 ⋅ 𝑓𝑐 ⋅ 𝐿 kde: N je předpokládaný výsledek R je označení přírůstku počtu hvězd za určité období, nejvíce se používá rok (6 - 40) fp je podíl hvězd s planetárním systémem (0,1 - 0,5) ne je průměrná hodnota počtu planet v planetárním systému s vhodnými podmínkami pro život (0,5 - 2,5) fl je poměr z předchozích vhodných planet, na který se život skutečně vyvine (0,01 - 1) fi je poměr z předchozího, kde se život rozvinul se až k inteligentní formě života (10-7 - 1) fc je podíl inteligentních forem života, které dosáhly schopnosti mezihvězdné komunikace (0,01 - 1) L je odhad délky existence inteligentní formy života schopné mezihvězdné komunikace (100 - 109) (čísla v závorkách jsou hodnoty, které určil Drake jako rozmezí) 20 Frank Drake si dosadil čísla a jeho rovnice vypadala takto: 𝑁 = 10 ⋅ 0,5 ⋅ 2 ⋅ 1 ⋅ 0,01 ⋅ 0,01 ⋅ 10000 𝑁 = 10 Podle Drakea je v naší Galaxii 10 civilizací (z toho jedna jsme my). Takže v galaxii Mléčná dráha je někde ještě 9 civilizací, které jsou schopny komunikace. Zkusíme dosadit vlastní čísla: Stáří naší galaxie je 13,5 miliard let. Počet hvězd v ní je zhruba 500 miliard podle nejnovějších odhadů. Délka života hvězdy je v průměru 5 miliard let. Pokud nám hvězdy vznikají pravidelně, tak každý rok přibude okolo 100 hvězd. Podíl hvězd s planetárním systémem je okolo 30%. Průměrný počet obyvatelných planet je 2. Život se vyvine na 1 planetě. Myslím, že i ta nejnižší forma života se vyvine na každé planetě. 21 Zde rovnici upravíme. Na Zemi existovalo cca 50 miliard živočišných druhů. Do inteligentní podoby se vyvinulo několik desítek druhů. Budeme tedy počítat s číslem 50. Pouze člověk se dokázal dostat na úroveň pro pro mezihvězdnou komunikaci. Tedy 1. Ačkoli člověk je na planetě už asi 7 milionů let, tak až posledních pár tisíc let se snaží navzájem vyhubit. Pouze pár desítek let jsme schopni mezihvězdné komunikace. Pesimistický odhad je, že lidstvo do pár set let vymře. Takže dosadím číslo 500. Kolik civilizací v mé rovnici vyjde? 𝑁 = 100 ⋅ 0,3 ⋅ 2 ⋅ 1 ⋅ 50 ⋅ 1 ⋅ 500 𝑁 = 1 500 000 Vyšlo milion a půl civilizací v naší galaxii. V galaxii je okolo půl bilionu hvězd, tak to zas až tak nereálné není. 22 Teorie fyzického kontaktu Teorie signálové. Teorie zajímavé, avšak nepravděpodobné