Antropičko načelo i svet na velikoj skali

Računarske igre su, pored svojih često nespornih umetničkih dometa, izuzetno korisna saznajna pomagala (uprkos brojnim dušebrižnicima, naročito domaćim, koji često u medijima naklapaju o “kvarenju omladine”, što je svojevremeno u Atini stajalo glave njenog najmudrijeg čoveka). Jedan od najznačajnijih primera ovoga jeste razvitak naturalističkih hipoteza dizajna, koje se često po eponimnoj računarskoj igri nazivaju i SimCity-hipoteze. Među igrama iz ove “Sim” (od simulation) serije, jedna od najstarijih, razvijena još početkom 90-tih je SimEarth, u kojoj se pred igrača postavlja istinski kosmogonijski zadatak: on treba da kroz milijarde godina virtuelnog vremena stvori čitavu nastanjivu planetu sa složenom biosferom, polazeći od najjednostavnije primordijalne hemijske smeše gasova i poznatih zakona prirode.

Ukoliko je igrač dovoljno vešt, on će stvoriti svet koji će po bogatstvu biljnog i životinjskog sveta biti sličan onome koji opažamo na Zemlji. Da li će, međutim, biti u stanju da dovede do pojave virtuelnih inteligentnih bića – koja će, opet, razumeti koncepte informacije, računara i same simulacije dovoljno da naprave svoju verziju SimEarth-a? Iako se može protumačiti kao šala, ovo je pitanje u temeljima nekih od najdugotrajnijih i najtežih rasprava u istoriji ne samo nauke, već i ljudske misli uopšte. Pitanje da li je univerzum mogao biti drugačiji nego što jeste, te ima li svet koji vidimo oko nas svrhu jedno je od najstarijih pitanja koje je čovek postavljao sebi. Ono je prvi put na ozbiljan način postavljeno u antičkoj Grčkoj, i nekoliko varijanti odgovora na njega koji su dati u toj kolevci Zapadne kulture još uvek su (mada u neminovno drugačijoj formi) i danas u opticaju. Antički atomisti – Leukip i Demokrit – prvi su eksplicitno razradili ideju da se sve što se dešava u fizičkom kosmosu dešava po nužnosti, odnosno neminovno. Oni su takvo shvatanje zasnivali na jednoznačnosti interakcija između mikrodelića sveta (atoma), argument za redukcionizam koji se – u znatno razvijenijoj formi, naravno – često koristi i danas (videti recimo odličnu popularnu knjigu Stivena Vajnberga “Snovi o konačnoj teoriji”, kod nas u odličnom izdanju Polarisa, Beograd, 2000).

Druga važna ideja helenske misli koja je još uvek predmet žive rasprave, jeste shvatanje biološke evolucije kao prirodnog dela fizičke, tj. kosmološke evolucije. Ona se prva javlja još kod Anaksimandra iz Mileta, prvog istinskog filozofa Zapada, a razvija detaljnije u poemi Empedokla iz Akraganta (cca. 520 pre n.e.) “O prirodi” od koje je sačuvano svega par desetina kraćih fragmenata u delima docnijih komentatora. Međutim, u kasnijem razvoju ljudske misli ovo stanovište bilo je eksplicitno napušteno, i to napuštanje je na izvestan način dobilo moderan oblik u poznatoj Dekartovoj doktrini o razdvajanju duha i materije. Iako je ovo dekartovsko stanovište bilo veoma plodonosno u pogledu razvitka prirodnih nauka i matematike, ono je ipak kroz vekove doživljavalo određene najpre bojažljive, a potom sve glasnije kritike.

Šredingerova maèka

Do toga je posebno došlo sa eksplozivnim razvitkom savremene kvantne mehanike u periodu 1920-tih i 1930-tih godina, pošto teorija kvantnomehaničkog merenja ukazuje na blisku vezu posmatrača i posmatranih fizičkih procesa. Ovo dovodi do čestih kvalifikacija kvantne mehanike (barem u ortodoksnoj, tzv. kopenhagenškoj interpretaciji) kao “idealističke” ili “instrumentalističke” teorije. Međutim, i to je uglavnom ostalo u ravni uopštenog, kvalitativnog diskursa.

Posebno je teška bila situacija u onim vremenima i mestima u kojima su političke ideologije vulgarnog materijalizma (poput tzv. marksizma u bivšem Sovjetskom Savezu, pa i u našoj zemlji) dominirale i grubom silom sprečavale slobodno mišljenje i napredak nauke. Pri tome su posebno stradale one naučne discipline koje su sumnjičene za teleološke (Teleologija je filozofska disciplina koja se bavi pitanjem svrhovitosti. Veoma prisutna kod Aristotela, teleologija se često pojavljivala i nestajala u okviru naučnih teorija tokom poslednje dve hiljade godina), pa i teološke konotacije kao što su evoluciona biologija i kosmologija. Za potonju, koja nas ovde zanima, videti lep prikaz u knjizi Helgea Kraga Cosmology and Controversy (Princeton, 1996).

Karter

Do striktno fizičkog i kosmološkog pristupa ovom problemu došlo je tek u ovom veku, a do njegove detaljnije razrade tek u poslednjoj četvrtini 20. veka. Naročito značajan trenutak u ovoj priči jeste izlaganje astrofizičara Brendona Kartera na simpozijumu Međunarodne astronomske unije 1974. godine u kome je definisano ono što se naziva antropičkim načelom (principom), čime ćemo se u nastavku pozabaviti. Ali pre toga ćemo razmotriti kako su ideje objedinjene u (različitim) antropičkim načelima polako izrasle u okviru glavne struje savremene kosmologije.

Pre nego što ukratko razmotrimo ovaj razvoj, napomenimo da je kosmološki i astrofizički pristup samo jedan od aspekata antropičkih načela i, uopšte, antropičkog načina mišljenja (engl. anthropic reasoning); istom se može pristupiti kroz biološke nauke, kako je to činio naročito sam Karter, a i kroz nauku o mikrosvetu – kvantnu mehaniku i kvantnu teoriju polja, o čemu nemamo prostora da ovde govorimo. Sa druge strane, primena antropičkih načela u kosmologiji je najintrigantnija, s obzirom da se tu na doslovan način odražava ono što je i suština svih teleoloških diskusija – odnos čoveka i kosmosa.

Antropičko načelo i kosmologija

Kada je Ajnštajn 1917. prvi put pokušao da primeni svoju novu teoriju gravitacije na kosmos kao celinu, u nju je stavio jedan dodatni parametar, tzv. kosmološku konstantu (tradicionalno označavanu grčkim slovom l), u nameri da omogući da kosmos bude statičan. Kasnije, kada je Edvin Habl posmatrački otkrio širenje kosmosa, Ajnštajn se zbog ovoga pokajao, i čak nazvao kosmološku konstantu "najvećom zabludom svog života".

Međutim, danas se ona ponovo pojavljuje, i kako svedoče najnovija posmatranja supernovih na visokim crvenim pomacima (o čemu je pisano na ovom sajtu), verovatno i dominira ukupnom gustinom energije u kosmosu. Ona efektivno igra ulogu anti-gravitacije, dakle odbijanja među masama (galaksijama, jatima galaksija, itd.). Njena veličina je, međutim, toliko mala, da mi ovo odbijanje ne opažamo u svakodnevnom životu (inače predmeti ne bi padali ka tlu kada ih pustimo), a ni u planetarnoj i zvezdanoj astronomiji, već samo u kosmologiji, tj. na veoma velikim skalama rastojanja.

Zamislimo, međutim, šta bi se desilo kada bi ovo odbijanje bilo znatno jače. Tada ne samo što bismo zapazili čudnovate efekte u svakodnevnom životu, već bi i samo postojanje Sunčevog sistema bilo nemoguće, jer je Sunčev sistem zasnovan na kondenzaciji materije unutar gravitacione potencijalne jame Sunca. Štaviše, samo formiranje Sunca, kao i svih drugih zvezda, bilo bi nemoguće ukoliko bi kosmološka konstanta bila veća od neke kritične vrednosti. Isto se odnosi i na galaksije – naime, one ne bi mogle da se kondenzuju iz međugalaktičke materije pre oko 14 milijardi godina i da zatim stvore čitavu komplikovanu podstrukturu: galaktičke komponente, zvezdane populacije, oblake gasa iz kojih nastaju zvezde, manje objekte kao što su planete, komete, itd.

Ovde vidimo tipičan primer kako naše postojanje postavlja a posteriori ograničenje na prirodu kosmosa. Veoma je važno uočiti da to ograničenje nije ni po čemu kvalitativno različito od nekog drugog koje bi se moglo dobiti, recimo, opsežnim posmatračkim programom posmatranja strukture ili sastava galaktičkih jata. Ono može biti kvantitativno različito, u smislu da je "dozvoljeni interval" vrednosti kosmoloških parametara dobijen kroz antropičko rasuđivanje znatno širi od onog dobijenog konkretnim posmatračkim programom (ili eksperimentom). Sa druge strane, i preciznost je relativna stvar; tako, u odsustvu ikakve ozbiljne teorije kosmološke konstante, jedino antropičko rasuđivanje omogućuje da se ustanovi zašto je ona toliko mala u odnosu na očekivanu ("slučajnu") vrednost.

To je tek početak priče. Kosmološka konstanta se manifestuje, pre svega, svojim doprinosom veličini koju kosmolozi tradicionalno označavaju sa veliko omega i koja predstavlja meru količine energije koja postoji u kosmosu. Omega (često se naziva i kosmološka gustina) je odnos između stvarne gustine energije u kosmosu (gde su obuhvaćene sve moguće vrste energije, dakle energija sadržana u materiji, zračenju i drugim egzotičnim formama energije kao što je već pomenuta energija vakuuma, odnosno kosmološka konstanta) i jedne “specijalne” vrednosti gustine koja odgovara idealnom slučaju takozvanog kritičnog ili ravnog kosmosa. Ukoliko je omega manje od 1, za kosmos se kaže da je negativno zakrivljen, i on ima hiperboličku geometriju; obrnuto, za omega > 1, geometrija kosmosa je eliptička (praktično unutrašnja geometrija sfere) i on je pozitivno zakrivljen. Ovo, međutim, nikako ne treba – kao što se čini u ogromnoj većini, posebno starijih udžbenika i popularnih prikaza – brkati sa dilemom da li će se kosmos večno širiti ili ne. Da bi se vrednost omega povezala sa ovim pitanjem, neophodno je “krišom” uvesti i jednu dodatnu pretpostavku o karakteru materije koja ispunjava kosmos, koja nikako nije očigledna.

Međutim, ni “obične” materije ne može biti proizvoljno mnogo. Ukoliko bi omega bilo mnogo manje od jedinice, kosmos bi se širio znatno većom brzinom nego što je to zapaženo, i u njemu ne bi mogle da nastanu kondenzacije neophodne za stvaranje galaksija i galaktičkih jata – osnovnih formi organizacije materije kakve danas zapažamo, i bez kojih bi postojanje zvezda, planeta, pa i života kakav poznajemo bilo sasvim izvesno nemoguće. Ukoliko bi, sa druge strane, omega bilo znatno veće od 1, tada bi kosmos prestao da se širi i ponovno bi kolapsirao u singularnost mnogo pre nego što bi hemijska i biološka evolucija mogle u svom laganom hodu da dosegnu nivo složenosti neophodan za pojavu inteligentnih posmatrača. Stoga se i za ovaj kosmološki parametar može reći da je “fino podešen” (engl. fine-tuned).

Savremene definicije

Savremene definicije antropičkih načela potiču pre svega iz čuvenog Karterovog izlaganja 1974. godine, a zatim i iz enciklopedijske monografije kosmologa Džona Beroua i Frenka Tiplera (1986). Bez ulaženja u detalje, ovde ćemo navesti samo najznačajnije od tih definicija. Nažalost, po ovom pitanju – kao ni u toliko drugih slučajeva u aktivnim naučnim oblastima – ne postoji konzensus, pa su se stoga pojavili sadržajno različita antropička načela, ali i donekle različite definicije, a pogotovo interpretacije, istih načela.

Karter definiše tzv. slabo antropičko načelo kao zahtev da posmatrane vrednosti fizičkih parametara univerzuma budu u skladu sa hemijskim sastavom, starošću, i drugim osobinama neophodnim za razvitak razumnih posmatrača u univerzumu, tj. nas. Sa jedne strane, ovo se može nazvati tautologijom, pošto je nekakva drugačija situacija nemoguća. Međutim, dublje promišljanje nam ukazuje da mada je nužno istinit, ovaj stav nije i očigledan, te je shodno tome sposoban da nam donese mnoštvo novih informacija o svetu u kome živimo. To što su te informacije na izvestan način ugrađene u samo naše postojanje, ne menja ništa na činjenici da ih prethodno nismo bili svesni. Ljudsko saznanje je nužno kontingentno, istorijsko, nikako ne analitičko. Ovo ćemo ilustrovati u narednom odeljku na primeru tzv. trostruke alfa reakcije u poslednjim stadijumima zvezdane evolucije.

Važno je imati na umu da su bitni inteligentni posmatrači kao takvi, a ne nužno samo pripadnici vrste homo sapiens, kao što se često pogrešno tumači. Stoga je naziv ''antropički'' donekle zbunjujući (i sam Karter je kasnije imao problema sa tim). Bilo kakav oblik razumnog života baziran na hemiji kakvu vezujemo za život na Zemlji bi odigrao istu ulogu. Stoga su napadi na antropički princip (kakvi se ponekad sreću u naučnoj i filozofskoj literaturi) u smislu da on predstavlja povampirenje srednjevekovnog geocentrizma, jednostavno posledica nerazumevanja suštine ove teme.

Pored slabog, Karter je definisao i jako antropičko načelo, koje sugeriše da univerzum mora imati osobine neophodne za razvitak inteligentnih posmatrača u njemu. Ovo je daleko spekulativnija tvrdnja i predmet diskusije koja se nesmanjenom žestinom vodi i danas. Ovaj princip se često, kao što ćemo videti u poslednjem odeljku, formuliše u kontekstu različitih teorija o mnoštvu svetova. Napomenimo da pored ovih, postoje i drugi antropički principi (konačni, participatorni, itd.) na koje se može naići u literaturi, koja su uglavnom previše spekulativna i čije razmatranje izlazi van okvira ovog teksta.

Primer antropičkog predviđanja

Među naučnicima i filozofima kritički raspoloženim prema antropičkom načinu rasuđivanja, često se čuje zamerka da se antropički princip (barem u svojoj slaboj varijanti koju je većina sklona da prihvati) svodi na tautologiju, tj. stav koji je nužno uvek istinit, i iz koga se ne mogu izvući nikakva nova saznanja. Da to nije slučaj, pokazuje više primera uspešnih antropičkih predviđanja, od kojih ćemo samo jedan (svakako najpoznatiji), ovde predstaviti sa malo više detalja, kao ilustraciju primene antropičkog načina razmišljanja.

Problem porekla hemijskih elemenata u vasioni jedan je od najstarijih i najozbiljnijih problema sa kojima se astrofizika ikada suočila. Dugo vremena vladalo je apsolutno neznanje o ovom pitanju, što nije čudno, s obzirom na složenost nuklearnih reakcija u kojima dolazi do pretvaranja jednih hemijskih elemenata u druge. I mada po tom pitanju ni izdaleka nije rečena poslednja reč, ono što nam je postepeno postalo jasno jeste da zvezde sijaju zahvaljujući upravo takvim nuklearnim reakcijama, u kojima se lakši elementi pretvaraju u teže, uz oslobađanje velike količine energije.

Tako u zvezdama Glavnog niza, gorivo je vodonik, koji se putem ili proton-proton ili CNO fuzionog lanca nuklearnih reakcija pretvara u helijum. Šta se, međutim, dešava dalje? Kada zvezde iscrpe zalihe vodonika u svojim središnjim delovima, tamo se nagomilava helijum. Istovremeno, zvezda silazi sa Glavnog niza i počinje da se kontrahuje. Ideja da će tom prilikom temperatura i pritisak dovoljno porasti da otpočne fuzija helijuma u teže elemente bila je odavno prisutna, ali šta se tačno dešava u tim uslovima nije bilo jasno sve do sredine 1950-tih godina. Prvi naučnik koji se ozbiljno pozabavio tim problemom bio je veliki američki astrofizičar Edvin Salpeter. On je ukazao na reakciju

koja se najčešće naziva “trostruka alfa” reakcija (jer se jezgro 4He u nuklearnoj fizici obično naziva alfa-česticom), u kojoj se iz tri jezgra helijuma sintetiše jezgro ugljenika-12. Međutim, ovako kako je prikazano, ova nuklearna reakcija se ne može odvijati dovoljno brzo, jer je čak i u unutrašnjostima zvezda broj trostrukih sudara isuviše mali. Salpeter je 1952. godine predložio da se ova reakcija odigrava putem jednog prelaznog koraka, naime

Međutim, izotop berilijum-8 (Be-8) je izuzetno nestabilan i raspada se za oko 10-17 sekundi! Uz tada poznata svojstva jezgra ugljenika, nije bilo načina ni da se ova modifikovana reakcija odigrava u značajnijem obimu. I nakon Salpeterovog rada ostalo je misteriozno kako se zapravo odvija “trostruka alfa” reakcija, odnosno kako su nastali svi elementi teži od helijuma u vasioni.

Hojl

Ključnu ulogu u razjašnjavanju "trostruke alfa" reakcije, toliko bitne za postojanje sveta kakav znamo, odigrao je veliki engleski kosmolog i jedan od najoriginalnijih mislilaca ovog veka, ser Fred Hojl. Polazeći od onoga što će se tek kasnije nazvati antropičkim razmišljanjem, on je zaključio da bi, bez "trostruke alfa" reakcije, stvaranje težih elemenata bilo nemoguće. Među tim elementima nalazi se i ugljenik, koji predstavlja osnovu života na Zemlji, kiseonik, koji udišu svi viši organizmi, kao i drugi elementi bez kojih ne bi bilo nas, a samim tim se i pitanja nastanka hemijskih elemenata ne bi ni postavljalo.

U tom smislu se reakcija (*) mora odigravati, a ako je tako, onda mora da postoji neki način da se uveća njena verovatnoća, tj. mora da postoji ono što se u žargonu fizičara zove rezonanca u jezgru C-12, i to na energiji bliskoj 7,7 MeV. Zapazimo značaj ovog rezonovanja: polazeći od sopstvenog postojanja, Hojl je došao do krajnje konkretnog predviđanja iz oblasti nuklearne fizike. Kada je sugerisao nuklearnim fizičarima-eksperimentatorima da izvrše laboratorijske oglede u cilju provere postojanja rezonatnog nivoa, oni ga u prvi mah nisu shvatali ozbiljno. Ipak je ubrzo posle toga jedan takav eksperiment i izvršen, i pronađen je rezonantni nivo na energiji od E = 7,656 ± 0,008 MeV, dakle, veoma blizu predviđene rezonance.

Ovo je odličan primer konkretne primene antropičkog načina razmišljanja (odnosno onog koji će dvadesetak godina kasnije biti definisan kao antropički). Postoje i brojni drugi slični primeri, od predviđanja biskupa Barnsa da će se katastrofička teorija nastanka planetarnih sistema (vladajuća u dvadesetim godinama XX veka kada je on pisao!) pokazati netačnom, do Kant-Erenfest-Vitrouvljevog objašnjenja činjenice da svet koji opažamo ima tri prostorne dimenzije. Zbog obima ovog članka ne možemo se detaljnije baviti ovim primerima, a zainteresovanog čitaoca upućujemo na obimnu literaturu čiji se jedan deo može u elektronskom obliku naći na sajtu http://www.anthropic-principle.com/.

Antropičko načelo i kvantna kosmologija

Konačno, slabo antropičko načelo dobija veliki značaj i u okviru nove i veoma dinamične discipline kvantne kosmologije koja se razvila tokom poslednje dve decenije. Najkraće rečeno, ova grana fizike bavi se primenom teorija o ponašanju mikrosveta (kvantne mehanike i kvantne teorije polja) na onaj period u razvitku kosmosa u kome je on bio mikrosistem – dakle na vreme neposredno posle Velikog praska.

Nažalost, još smo daleko od razumevanja ovih pojava iz jednostavnog razloga što još uvek ne postoji teorija kvantne gravitacije, tj. ponašanja gravitacione sile na ekstremno malim rastojanjima i pri ekstremno visokim energijama. Ovo je jedan od najvećih problema savremene fizike, na kome intenzivno rade desetine istaknutih teoretičara, ali je još uvek daleko od rešenja.

Ono što je, međutim, za nas od najvećeg značaja jeste činjenica da kvantna kosmologija sugeriše uverljiv mehanizam na koji se koncept mnoštva kosmosa može fizički realizovati. Bez ulaženja u detalje, dovoljno je pomenuti da se izlazak kosmosa iz epohe u kojoj kvantna gravitacija dominira (koja se naziva Plankovom epohom) može vizualno predstaviti u vidu nastanka prostorno-vremenske pene, sastavljene (kao i pena koju vidimo na površini vode, naprimer u kadi) od ogromnog mnoštva manjih i većih mehurića. U skladu sa matematički detaljno razvijenom slikom koju nam nudi kvantna kosmologija, svaki od ovih mehurića je zapravo zasebni univerzum koji se potom širi. U njemu se razvija struktura i dešavaju suštinski isti oni fizički procesi koje primećujemo u kosmosu oko nas.

U tom smislu je pojam "kosmosa" ili "univerzuma" nedovoljno precizan i gubi svoj nekadašnji univerzalni značaj, te se u engleskom jeziku već pojavio izraz "multiverse", koji bismo mogli prevesti kao multiverzum, a koji opisuje "veliki" kosmos, tj. skup svih mehurova-univerzuma i supstrata između njih, o čemu smo već pisali ovde. U okvirima multiverzuma pitanje selekcije kosmosa koji raspolažu uslovima pogodnim za razvitak života i, ultimativno, razumnih posmatrača, dobija novo, sasvim operativno značenje.

Alternativni pristup istoj slici dobija se kroz danas u teorijskoj fizici dominantnu (mada da li i opravdano, vode se značajne debate) teoriju struna, odnosno njenu najopštiju “temeljnu” formulaciju koju je Edvard Viten zagonetno nazvao M-teorijom. M-teorija još ne postoji kao fizička teorija (posebno ne kao na bilo koji način proverljiva fizička teorija!), ali jedna njena dobro razrađena posledica je duboko uznemirujuća za mnoge istraživače: naime ona ne kreira jedno, već veoma veliki broj stanja niske energije (“vakuuma” u žargonu teoretičara polja) od kojih svako odgovara po jednom različitom skupu zakona prirode niskoenergetskog sveta – čitaj: sveta oko nas. Sva ova vakuumska stanja su podjednako verovatna sa stanovišta same M-teorije, a koliko ih ima suštini je kombinatorički problem koji u svim proračunima daje ogromne brojeve: tipično reda veličine... 10^500 !!!

Ako dakle u ovom skupu rešenja koje nam daje, po pretpostavci, konačna teorija, treba da objasnimo poreklo prirodnih zakona koje vidimo oko nas, malo nam šta preostaje do da se okrenemo nekoj vrsti antropičkog rasuđivanja i upitamo koji je deo tog ogromnog (malo je reći) skupa saglasan sa našim postojanjem kao specifičnih posmatrača. Nije ni čudo da se ovaj skup vakuuma teorije struna često naziva antropičkim pejzažom teorije struna (naziv potiče od Leonarda Saskinda, jednog od vodećih savremenih teorijskih fizičara), sa idejom da na “visinskoj skali nastanjivosti” postoji samo mali broj izolovanih vrhunaca koji odgovaraju svemirima u kojima mogu postojati posmatrači nalik nama. Sa ovom impresivnom slikom (koja tek čeka dalji teorijski opis i eventualnu empirijsku proveru), završićemo ovo bez sumnje krajnje pojednostavljeno uvodno razmatranje antropičke problematike.