Антропный принцип и геотектоническая эволюция Земли

УДК 551.24 Ю. Е. Мусатов

АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП И ГЕОТЕКТОНИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ

Антропный (или антропоцентристский) принцип в современной науке был впервые сформулирован в теоретической физике (а также в физике микро- и мегамира) в 70-е — 80-е годы минувшего века [1, 2] для объяснения кажущейся крайне маловероятной взаимосогласованности ряда фундаментальных (независимых друг от друга) физических констант, определяющих структуру наблюдаемой части Вселенной (Метагалактики). Исходным положением является то, что если бы значения этих констант не были «подогнаны» друг к другу с высочайшей, просто ошеломляющей степенью точности, то невозможным было бы существование наблюдателя. Такие явления получили названия (конечно, образные) «тонкой подстройки Вселенной», «космических совпадений» и «магических чисел».

Гравитационное взаимодействие по порядку величины в 10 в 40-й степени раз меньше электромагнитного. Иначе, два протона, разнесенные на расстояние, скажем, в 1 метр, испытывают электромагнитное отталкивание как одинаково заряженные частицы в соответствующее чудовищное число раз большее, чем гравитационное притяжение. Если бы гравитация была на ничтожно малую часть сильнее, то космологическое расширение достаточно быстро сменилось бы сжатием (красное хаббловское смещение спектральных линий у далеких галактик сменилось бы, соответственно, фиолетовым) и произошел бы гравитационный коллапс Метагалактики (после «большого взрыва» из состояния большой сингулярности последовал бы «большой хлопок», то есть возврат в то же состояние). При этом, видимо, не успели бы сформироваться небесные тела типа звезд и, соответственно, химические элементы тяжелее гелия (первичные водород и гелий сформировались еще до эпохи рекомбинации, когда вещество стало прозрачным для излучения, следствием чего является наличие удивительно однородного и изотропного реликтового излучения с температурой в 3 градуса Кельвина. По современным оценкам такое событие имело место примерно через 1 000 000 лет после большого взрыва) [3]. Очевидно, в этом случае условий для появления наблюдателя в Метагалактике не возникло бы. Наоборот, если бы гравитация была на ускользающе малую долю слабее, то космологическое расширение приняло бы лавинообразный характер, а звезды и тяжелые элементы просто не смогли бы никогда возникнуть; при этом наблюдатель, в единственной известной нам форме, также бы не появился.

Отметим, что геотектонические (геоморфологические и геологические) процессы возникают только в тех небесных телах, где электромагнитные силы, ответственные за сцепление вещества, взламываются гравитационными (по-разному заряженные частицы компенсируют друг друга в отличии от гравитации). Это происходит только на планетах земной группы. На известных нам планетах Солнечной системы, начиная

© Ю. Е. Мусатов, 2008

с раннего докембрия или с самого космогонического процесса — образования Солнечной системы и по настоящее время в активной форме происходит только на Земле, вероятно, на Венере и на некоторых спутниках планет — гигантов [4]. При меньших размерах и массах планетных тел геотектоническая активность либо не возникает (астероиды неправильной формы, где гравитационные силы слишком слабы даже для приобретения телом сфероидальной формы), либо затухает достаточно быстро в масштабах геологического времени (Луна, Марс и другие). При больших размерах и массах гравитация начинает преобладать слишком резко и возникают только ядерно-оболочечные структуры, как у планет — гигантов. При еще больших размерах и массах в недрах тела начинаются термоядерные реакции — объект становится звездой.

При совершенно других расчетах «магическое число» 10 в 40-й степени возникает еще не раз. Так, оно выражает возраст Метагалактики ( время после большой сингулярности или большого взрыва — величина, обратная постоянной Хаббла) в характерных фундаментальных единицах времени — в так называемом протонном времени, иначе — в промежутке времени, за которое свет со скоростью 300 000 км/с пересекает протон (или атомное ядро) с характерным диаметром 10 в минус 15-й степени метра. По современным оценкам величина красного смещения, обратная хаббловской постоянной, составляет порядка 13 миллиардов лет. Еще в середине ХХ века один из крупнейших физиков столетия Поль Дирак [5] предположил, что такое совпадение не может быть случайным. По его гипотезе, по мере увеличения возраста Вселенной значение гравитационной постоянной Ньютона уменьшается и, таким образом, соотношение гравитации и электромагнетизма и возраст Метагалактики каким-то образом связаны постоянным соотношением.

Конечно, в масштабах человеческого или «цивилизационного» времени, как и «географического» времени в случае справедливости гипотезы ослабевание гравитации пренебрежимо мало (и уж тем более не может быть установлено во времени эксперимента), однако для исторической геотектоники и для геологии раннего докембрия может иметь очень важные следствия. «Классическим» считается возраст Земли в 4,6 миллиарда лет [6]. Кстати, некоторые, в том числе и крупнейшие, геологи с этим несогласны и считают, что он занижен (например, покойный акадамик Ю. А. Косыгин [7]). Однако и при принятии «классического» возраста совместно с гипотезой Дирака получается , что в раннем докембрии гравитация была значительно сильнее, а радиус Земли, соответственно, меньше. Отметим, что данное соображение никак не связано с геотектоническими концепциями расширения Земли на геоморфологическом этапе ее развития (мезозой — кайнозой) с соответствущим новообразованием (раскрытием) океанов [8] или, наоборот, неоконтракции с таким же новообразованием, но за счет погружения блоков континентальной коры с дегидратацией содержавшихся в ней пород [9]. Соображение остается справедливым и при поддержке наиболее популярной в настоящее время геотектонической концепции тектоники литосферных плит [10]. В составе раннедокембрийских (дорифейских, допозднепротерозойских) пород нет (во всяком случае, неизвестны) неметаморфизованных, то есть все породы являются кристаллическими и входят в состав так называемой консолидированной континентальной коры. В целом ряде случаев в пределах раннедокембрийских кристаллических щитов на поверхности современного эрозионного среза присутствуют регионально метамор-физованные породы в фациях повышенных давлений (например, гранулиты), для регионального метаморфизма которых требуются давления, достигаемые при постоянном радиусе планеты на глубинах в 10-20 километров. Приходится для данных районов предполагать столь большую величину денудационного среза. Однако, скажем, для восточной части Балтийского щита для такого среза просто нет достаточных промежутков

геологического времени. В позднем протерозое, как и в палеозое, наряду с преобладающими регрессиями здесь устанавливаются и трансгрессии (осадочные породы ри-фейского и позднедевонского — раннекаменноугольного времени широко известны). В течение мезозоя — палеогена формировалась регионально развитая, каолинитовая кора выветривания на эпигерцинской поверхности выравнивания, поэтому никакого сколь-нибудь заметного среза тоже происходить не могло. Но если в раннем докембрии размеры Земли были значительно меньше, то проблема поверхностных глубоко регионально метаморфизованных пород древних щитов получает естественное объяснение. Разумеется, это — лишь один из множества примеров важнейших следствий подобной ситуации для геотектоники и исторической геологии.

Однако вернемся вновь к физическим обоснованиям антропного принципа. Конечно, в краткой статье возможно лишь ограничиться отдельными примерами, хотя таковых «космических совпадений» известно весьма много, так что, если говорить о фундаментальной физике, то они, скорее, являются не какими бы то ни было исключениями, а правилом [11]. Уместен пример с так называемым космическим отталкиванием. В свое время его (так называемый лямбда-член, сейчас — «пустой» лямбда-член) ввел в уравнения общей теории относительности (ОТО) Альберт Эйнштейн, чтобы избежать следовавшего без него гравитационного коллапса и обосновать стационарность Вселенной. Сила отталкивания при этом имеет размерность, обратную квадрату длины, то есть увеличивается с расстоянием и не зависит от отталкиваемой массы. В таком случае она может проявляться только на межгалактических расстояниях. После работ Фридмана и Хаббла [3], когда выяснилась нестационарность Метагалактики (космологическое расширение продолжается по инерции от большого взрыва в сингулярном состоянии — именно в сингулярности, как считается сегодня, и «задаются» фундаментальные константы), отпала необходимость в уравновешивании гравитации отталкиванием. Сам Эйнштейн назвал им же введенное отталкивание «великой ошибкой»; однако из уравнений ОТО не следовало обязательное равенство «пустого» лямбда-члена нулю. Во второй половине ХХ века выяснилось, что физический вакуум — вовсе не пустота, а наинизшее энергетическое состояние поля; при этом в нем существуют принципиально ненаблюдаемые, но гравитирующие виртуальные частицы, без которых невозможны были бы многие превращения известных «элементарных» частиц. Дополнительный вклад виртуальных частиц в гравитацию получил название «полного» лямбда — члена, который характеризует гравитацию вакуума. После этого появилась возможность считать, что космическое отталкивание практически полностью (с точностью до одной ничтожно малой доли «магического числа» 10 в 40-й степени) компенсирует гравитацию вакуума (Ль + Л^ < 10-53м-2). Если бы они не были «подогнаны» друг к другу с потрясающей точностью, то последствия этого для возможности существования наблюдателя были бы аналогичными вышеупомянутым.

Единственно известная нам форма жизни связана с органическими соединениями, или с наличием углерода. Вместе с тем наличие углерода, как и остальных элементов тяжелее гелия, весьма зависит от ядерных резонансов, то есть от частоты собственных колебаний атомных ядер и альфа-частиц (ядер гелия) в процессах термоядерного синтеза. Ядро бериллия (весьма редко встречающегося элемента; его кларковое содержание в земной коре на порядки ниже углерода) находится в резонансе с альфа-частицами, поэтому углерод синтезируется вполне эффективно. В то же время, ядро углерода не столь резонансно к альфа-частицам и в силу этого весь углерод в звездах «выгореть» с образованием кислорода не может. Из этого «остатка», собственно говоря, и возникли впоследствии после взрывов сверхновых звезд все органические соединения.

Эти, как и многие другие, «совпадения» и «странности», очевидно, и заставили физиков обратиться к антропному принципу, причем в двух его формулировках: слабой и сильной. Согласно первой из них, наблюдаемая картина мира такова потому, что существует наблюдатель: мы «выбираем» Вселенную фактом своего существования. Скажем, в сугубо гипотетических моделях осциллирующей Вселенной (бесконечные циклы расширения — сжатия или «больших взрывов» — «больших хлопков», когда в сингулярностях «задаются» фундаментальные константы) рано или поздно (конечно, очень поздно) случайно возникнут такие соотношения констант, когда возможно будет появление наблюдателя. Это — в случае «закрытых» моделей Метагалактики, когда средняя плотность (сейчас — с учетом «темных» массы и энергии) превышает критическую и расширение должно когда-нибудь смениться сжатием; в этом случае пространство Метагалактики обладает положительной кривизной, то есть оно является римано-вым. Метагалактика бесконечна, но замкнута и обладает конечным объемом. В случае открытых моделей (если средняя плотность точно равна критической, то кривизна — нулевая, пространство — эвклидово, объем — бесконечен, расширение по инерции будет вечным; если средняя плотность меньше критической, то кривизна — отрицательная, пространство — Лобачевского, объем — бесконечен и расширение вечно) в бесконечном пространстве — времени Вселенной в соответствии со слабой формулировкой принципа существуют (хотя и крайне редко) те области (отдельные Метагалактики), где соотношения констант допускают появление жизни — в одной из таковых мы и живем.

Сильная же формулировка кардинальным образом отличается от привычных нам принципов: в соответствии с ней в ходе эволюции Вселенной непременно должны возникать вышеупомянутые условия. В случае принятия сильной формулировки следует говорить о новой революции не в отдельной науке (физике, например) даже, а во всем научном мировоззрении. Революция эта по своему значению может быть сравнима разве что с так называемой «коперниканской» революцией, связанной с отказом от геоцентрической картины мира. Конечно, с современных позиций уже не столь важно, Земля ли находится в центре мироздания (геоцентрическая система Птолемея), Солнце ли (гелиоцентрическая система Коперника); ясно, что — ни то, ни другое, ибо центра расширения нет и быть не может; существует только постоянно увеличивающийся в ходе расширения Метагалактики горизонт событий для каждой точки, равный возрасту Вселенной, умноженному на скорость света (13 миллиардов световых лет), за которым находятся области, с которыми у нас, как и у любого другого пункта (у каждой точки во Вселенной, конечно, «свой» горизонт событий), до сих пор нет причинно-следственных связей. Однако, это с «современных позиций» — сейчас, в начале XXI века, а в эпоху так называемого Возрождения отказ от геоцентрической системы очень быстро привел к повсеместному утверждению, ныне кажущейся бесспорной идеи, о случайном, по-другому — «невыделенном» положении Земли в Галактике и во Вселенной.

В Галактике, впрочем, Земля вместе с Солнечной системой находится в весьма узком (по галактическим меркам) коротационном поясе — там, где скорость вращения звезд и звездных систем вокруг центра тяжести Галактики совпадает со скоростью вращения спиральных галактических рукавов [12]. Средняя продолжительность галактического года — времени обращения Солнечной системы вокруг галактического центра — составляет порядка 200 миллионов лет, что точно совпадает с крупнейшими циклами тектогенеза. Для венда и фанерозоя они хорошо известны: это- байкальский (вендский), каледонский (раннепалеозойский), герцинский (позднепалеозойский) и альпийский (ме-зозой-кайнозойский) циклы (их часто также называют складчатостями). Такие же по продолжительности циклы по данным геологии докембрия устанавливаются и ранее [13].

Именно за счет своего нахождения в «выделенном» пространстве коротационного пояса Земля не менее чем за 40 галактических лет ни разу не «попала» ни в один из рукавов нашей спиральной галактики. В рукавах идут активные процессы звездообразования и гораздо более часты взрывы сверхновых. Вероятнее всего, что в случае однократного прохождения Земли через рукав биосфера на Земле не сохранилась бы, либо деградировала чрезвычайно глубоко, во всяком случае, эволюция жизни до стадии существования высших животных не дошла бы.

Принятие сильной формулировки антропного принципа означает даже не возврат (конечно, на совершенно ином уровне научных знаний) к идеям о неслучайном положении Земли и наблюдателя вместе с ней, а допущение того, что наблюдатель фактом своего существования каким-то образом влияет на структуру не только макро-, но и микро- и мегамира. Это полностью противоречит привычному (во всяком случае, для автора статьи) научному мировоззрению, однако приходится признать, что аргументы в пользу такой формулировки весьма серьезны. Здесь необходимо подчеркнуть, что (во всяком случае, по твердому убеждению автора) любые идеи, связанные с креационизмом, в науке категорически недопустимы. Возможно у кого-либо и возникают, подобные идеи хотя и совершенно ошибочные, что «магические числа» и «космические совпадения» «заданы», а «тонкая подстройка» «подстроена» кем-то или чем-то иррациональным. К сожалению, приходится об этом упоминать, так как за последние 20 лет подобные, с позволения сказать, «идеи» не только выплеснулись мутным потоком практически во все средства массовой информации, но и широко проникли в научнопопулярную и, к великому сожалению, иногда даже в научную литературу. Что касается автора, то он не подтверждает и не отрицает возможности существования иррациональной реальности, однако твердо убежден, что данная область находится вне науки.

В современной физике существует раздел (именно — квантовая механика), где присутствие наблюдателя абсолютно необходимо, а факт измерения состояния системы коренным образом влияет на само состояние. Скажем, положение разогнанного на ускорителе до очень большой скорости электрона после прохождения дифракционной решетки из протонов описывается волной вероятности, то есть электрон «размазывается» в пространстве, в котором верятность нахождения его составляет разную, но отличную от нуля величину. Однако после измерения состояния системы (например, путем введения экрана из светочувствительной фольги) положение электрона кардинально меняется. После регистрации вспышки на экране вероятность нахождения электрона в точке, где зарегистрирована вспышка, становится равной 100 %, а во всех остальных точках — 0 %. При этом особо подчеркивается, что до измерения электрон существовал именно в форме вероятностной волны, и что именно измерение изменило его состояние [14].

Строго говоря, подобные квантовые эффекты характеризуют объекты не только микро-, но и макро- и мегамира, другое дело, что при наблюдаемых сейчас, то есть на данной стадии эволюции Метагалактики (и достижимые в самых современных экспериментах), скорости и, соответственно, массо-энергии макрообъектов абсолютно недостаточны для их проявления. Но в самом начале космологического расширения они должны были проявляться, а в большой сингулярности при стремлении плотности к бесконечности квантовым, то есть неопределенным, требующим измерения, должно было быть состояние всей Вселенной [15]. Конечно, в таком случае неизбежно возникает недоуменный вопрос: где же может быть наблюдатель (или измеритель), внешний по отношению ко всей Вселенной?! Все эти, пускай сейчас и гипотетические, положения также могут свидетельствовать в пользу сильной формулировки.

Антропоцентристский принцип может быть применен и для объяснения геотектонической эволюции нашей планеты. В конце концов, только на ней известны наблюдатели, а геотектонические режимы уже в силу того, что ими контролируется дегазация (и/или селективное плавление) недр, определяют состав гидро- и атмосферы. С последними неразрывно связана (в том числе и обратными связями) эволюция биосферы. Появление разума (вначале — конечно, различных видов гоминид) определяется, очевидно, всем комплексом геологических, географических и биологических процессов. По мнению автора, эволюция геосферы (а, значит, и внешних, «географических», и внутренних, «геологических» или «геофизических» геосфер) именно на это и «направлена», конечно, никем и ничем. Речь идет о том, что мышление (или, если угодно, социальность) является наиболее эффективным способом существования или выживания биологического вида, поскольку каждый вид стремится, во-первых, к увеличению численности, во-вторых, к расширению ареала обитания. Вид Homo sapiens sapiens с созданием им техногенной цивилизации, с увеличением численности в геометрической прогрессии и с расширением ареала обитания на всю земную поверхность и уже в Ближний Космос — это бесспорно доказал, хотя, конечно, некоторые известные события особенно ХХ и начала XXI века и заставляют усомниться в столь уж большой эффективности мышления. Впрочем, эти печальные проблемы находятся за рамками обсуждаемой темы.

Наряду с бесспорной и уже упомянутой цикличностью тектогенеза несомненна и направленность (или однонаправленность) геотектонической эволюции планеты, причем направлен тектогенез явно на усложнение ансамбля геоструктур (а на геоморфологическом этапе развития — геотектур и морфоструктур, в конце концов, элементов и форм рельефа и геоморфосистем). Это ведет, соответственно, и к увеличению разнообразия физико-географических условий и ландшафтов. Именно резкое увеличение географического разнообразия сначала в палеогене, затем в позднем олигоцене — миоцене (начало новейшего тектонического или неотектонического этапа и увеличение скоростей тектонических движений) и особенно в плиоцене — эоплейстоцене — неоплейстоцене — голоцене, когда по нарастающей увеличивались как скорости тектонических процессов, так и скорости чередования ледниковых и межледниковых эпох (регрессий и трансгрессий), когда по нарастающей увеличивалась геоморфологическая и ландшафтная сложности, именно все это вместе взятое вначале «позволило» появиться самой примитивной каменной культуре (олдувейской) у австралопитеков и у вида Homo habilis, затем — ашель-ской (раннепалеолитической) преимущественно у вида Homo erectus (в просторечье — питекантропов; данный вид уже не «ограничился» восточной Африкой, а расселился почти по всему Старому Свету вплоть до Явы), еще позднее — среднепалеолитической (мустьерской) у видов Homo sapiens heanderthelis и Homo sapiens sapiens и, наконец, позднепалеолитической, неолитической керамической и далее бронзовой, железной культурам и в конечном итоге техногенной цивилизации у вида Homo sapiens sapiens.

В общей геотектонической истории планеты выделяются несколько стадий, каждая — с особым, присущим только ей ансамблем геоструктур. Первая — пермобильная или пангеосинклинальная стадия соотносится с ранним археем или катархеем; вторая — протоплатформенная или зеленокаменная (в это время активно формировались зеленокаменные пояса первой генерации и разделяющие их гранито-гнейсовые или гранулито-гнейсовые купола) — с поздним археем; третья — протоплатформенно-про-тоавлакогенная (когда происходило формирование зеленокаменных поясов второй генерации или свекокарельских проницаемых шовных зон между уже сформированных про-топлатформенных эпиархейских блоков) — с ранним протерозоем; четвертая — устойчивая

геосинклинально-платформенная — с рифеем — палеозоем [13, 16, 17]; наконец последняя, синоокеаническая — с мезозоем — кайнозоем, что, в общем, соответствует геоморфологическому этапу [18]. Именно с последней стадией связано становление наиболее сложного современного (точнее, конечно, экспонированного, в отличии от любого сколь угодно более древнего, погребенного) рельефа земной поверхности. Его формирование, как и обусловленные им ландшафтные особенности, и создали, в конечном итоге, условия для возможного появления наблюдателя.

Summary

Musatov Y.E. The antropic principle and geotectonical evolution of the Earth.

The paper deals with physical grounds of the antropic principle. General problems of geotectonics, historical geology, geology of the Precambrian and recent tectonics are also discussed according to the above mentioned principle.

Список литературы

1. Carter B. In confrontation of cosmological theories with observation. Dordrecht, 1974. 2. Barrow J. D., Tipler F. J. The antropic principle. Oxford, 1982. 3. Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. М., 1983. 4. Рудник В. А., Соботович Э. В. Ранняя история Земли. М., 1984. 5. Dirac P. A. M. Proc. Roy. Soc. 165A. 199. 1938. 6. Хаин В. Е., Божко Н.А. Историческая геотектоника. Докембрий. М., 1988. 7. Косыгин Ю. А. Тектоника. М., 1988. 8. Carey S. W The Expanding Earth. Developments in geotectonics 10, Elsevier Co. 1976. 9. Ормнок В. В. Физика и динамика внешних геосфер. М., 1985. 10. Новейшая тектоника, геодинамика и сейсмичность северной Евразии / Под ред. А. Ф. Грачева. М., 2000. 11. Девис П. Случайная Вселенная / Пер. с англ.; под ред. А. Г. Дорошкевича. М., 1985. 12. Шкловский И. С. Галактический «пояс жизни» // Прошлое и будущее Вселенной / Отв. ред. А. М. Черепащук. М., 1986. 13. Лутц Б. Г. Магматизм подвижных поясов ранней Земли. М., 1985. 14. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике / Пер. с англ.; под ред. Я. А. Смородинского. М., 1976. 15. Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной / Пер. с англ.; под ред. А. Г. Дорошкевича. М., 1981. 16. Ранний докембрий Балтийского щита / Отв. ред. В. А. Глебовицкий. СПб., 2005. 17. Авсюк Ю. Н. Сопоставление эндогенных режимов материков в устойчивую геосинклинально-платформенную стадию со схемой приливной эволюции системы Земля — Луна // Строение и эволюция тектоносферы / Отв. ред. Ю. С. Ген-шафт и В. Н. Шолпо. М., 1987. 18. Герасимов И. П., Мещеряков Ю. А. Геоморфологический этап в истории Земли // Изв. АН СССР. Сер. Географич. 1964. № 6.