Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Таинственные явления природы и Вселенной

Составитель Сергей Минаков

The opposite of a correct statement is a false statement. But the opposite of a profound truth may well be another profound truth.

Противоположностью правильного утверждения является ложное утверждение. Но противоположность глубокой истины вполне может оказаться другой глубокой истиной.

Alles war gesagt, doch alles bleibt zu sagen!

Все было сказано, лишь все сказать осталось!

Чудеса жизни

Жить или не жить — вот в чем вопрос

Нам, землянам, чрезвычайно повезло с планетой. Подходя к вопросу и общекосмологически, то есть в масштабе Вселенной, и частноастрономически — в масштабе Солнечной системы и ближайших звезд, и геологически — в масштабе одной известной планеты, мы могли бы и должны констатировать: наш мир представляет собой великую удачу для жизни. Почему? Просто потому, что жизнь на Земле зародилась, она имеет место, она идет! Жизнь на нашей планете, в нашей галактике, в нашей части Вселенной состоялась. А этого могло бы (очень-очень даже могло бы) и не быть!

Можно говорить о четырех масштабных факторах жизни.

Масштаб планетарный, малый универсум жизни. Планеты служат для жизни домом. Они — то лоно, «родовое место», в уютных пределах которого может возникнуть и эволюционировать живое.

Второй масштаб — звездный. Важность звезд очевидна: они являются источником энергии, необходимой для биологической эволюции. Еще одна, но не менее значительная и фундаментальная роль звезд состоит в том, что они образуют тяжелые элементы, тяжелее гелия: углерод, кислород, кальций и другие ядра, из которых составляются известные нам формы жизни.

Третий масштаб — галактический. Галактики важны не менее, а то и более, чем звезды, хоть это и не столь очевидно. Без связующего влияния галактик тяжелые элементы, производимые звездами, — строительные кирпичики, из которых состоят как планеты, так и все, что на них может жить, — рассеялись-развеялись бы по всему пространству Вселенной. Галактики с их колоссальными массами и сильным гравитационным притяжением удерживают от рассеивания химически обогащенный газ, оставшийся после гибели звезд. Впоследствии этот газ включается в постройку будущих поколений звезд, планет и… биологической жизни. Гравитационное притяжение галактик обеспечивает доступность тяжелых элементов для последующих поколений звезд и для образования каменистых планет типа нашей Земли.

Четвертый, последний уровень — вселенский. Сама Вселенная в различных масштабах должна обладать нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Во-первых, эволюция нашей части Вселенной (или всей Вселенной) — долгая, достаточно длительная, чтобы успело сформироваться разнообразие-многообразие объектов (в том числе астрономических) и смогла зародиться, оформиться и развиться биологическая жизнь. То есть можно сказать, что подходящее для жизни место — медленно эволюционирующая вселенная. Можно утверждать также и другое: быстрая вселенная — неживая вселенная. Во-вторых, законы и условия нашей области Вселенной достаточно сложны, чтобы имелась возможность образования сложных структур. И они при этом достаточно просты, чтобы быть устойчивыми, стабильными — «медленными». В-третьих, свойства нашей Вселенной в целом позволяют обеспечить «химию жизни». Ведь кроме тяжелых элементов вроде углерода и кислорода, синтезирующихся в звездах, очень важен (жизненно важен!) водород. Водород составляет два из трех атомов воды — H2O. А вода, как известно, — это жизнь.

Наука говорит нам о возможности мультиверса (множественности) различных миров. Если это действительно так, то мог бы возникнуть и мир, где в результате первичного синтеза ядер весь водород превратился в гелий или даже в более тяжелые элементы. И тогда нас бы, конечно, там не было! Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, мир мог бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.

Вот несколько (не полный перечень!) возможных «линий жизни» (или «линий запрета жизни»).

Галактики — один из астрофизических объектов, необходимых для жизни, — образуются, когда гравитация одерживает верх над расширением Вселенной и провоцирует сжатие некоторых областей. Если бы сила гравитации была гораздо слабее или скорость космологического расширения гораздо быстрее, то к настоящему моменту в космосе не было бы ни одной галактики. Вселенная продолжала бы рассеиваться, но не содержала бы ни одной гравитационно связанной структуры, по крайней мере, на данный момент истории космоса. С другой стороны, если бы сила гравитации оказалась намного больше, так что скорость расширения космоса была бы гораздо ниже, то вся Вселенная вновь сколлапсировала бы в Большом сжатии задолго до начала образования галактик. В любом случае в нашей современной Вселенной жизни бы не было. Значит, подходящий для жизни случай Вселенной, заполненной галактиками и прочими крупномасштабными структурами, требует достаточно тонкого компромисса между силой гравитации и скоростью расширения. И в нашей Вселенной реализован именно такой компромисс.

Что касается звезд, то здесь требуемая тонкая настройка сопряжена с еще более жесткими условиями. Реакции термоядерного синтеза, протекающие в звездах, обеспечивают два ключевых процесса, необходимых для эволюции жизни: образование энергии и производство тяжелых элементов типа углерода и кислорода. Чтобы звезды сыграли именно эту роль, они должны развиваться длительное время, достигнуть достаточно высоких центральных температур и быть достаточно распространенными объектами во Вселенной. Чтобы все эти составляющие головоломки встали на свои места, Вселенная должна быть наделена обширным диапазоном особых свойств.

Наверное, самый понятный пример может предоставить нам ядерная физика. Реакции термоядерного синтеза и ядерная структура зависят от величины сильного ядерного взаимодействия. Атомные ядра существуют как связанные структуры, потому что сильное взаимодействие способно удерживать протоны рядом друг с другом, даже несмотря на то, что сила электрического отталкивания положительно заряженных протонов стремится разорвать ядро. Если бы сильное взаимодействие было чуть-чуть слабее, то тяжелых ядер попросту не было бы. Тогда во Вселенной не было бы углерода, а следовательно, и тех форм жизни, в основе которых лежит углерод. С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было еще сильнее, то протоны могли бы объединиться в пары — «ди-протоны». В этом случае сильное взаимодействие было бы таким мощным, что все протоны во Вселенной объединились бы в ди-протоны или в структуры покрупнее, и обычного водорода просто не осталось бы. В отсутствие водорода во Вселенной не было бы воды, а следовательно, и известных нам форм жизни. К счастью, наша Вселенная имеет как раз такую величину сильного взаимодействия, чтобы разрешить водород, воду, углерод и прочие необходимые составляющие жизни.

Аналогичным образом, имей слабое ядерное взаимодействие несколько иную величину, это значительно повлияло бы на звездную эволюцию. Если бы слабое взаимодействие было мощнее, то ядерные реакции в недрах звезд протекали бы с гораздо большими скоростями, в силу чего значительно сократилась бы продолжительность жизни звезд. Также пришлось бы поменять и название — термин «слабое взаимодействие» не годился бы. В этом вопросе у Вселенной имеется некоторая отсрочка, обусловленная диапазоном масс звезд: небольшие звезды живут дольше и могут управлять биологической эволюцией, как наше Солнце. Однако давление вырожденного газа (из квантовой механики) прекращает сжигание водорода, как только масса звезды становится слишком маленькой. Таким образом, серьезно уменьшилась бы продолжительность жизни даже самых долгоживущих звезд. У звезд, максимальное время жизни которых ниже отметки в миллиард лет, развитие жизни под угрозой. Фактическое значение слабого взаимодействия в миллионы раз меньше сильного, благодаря чему Солнце сжигает свой водород медленно, что и требуется для эволюции жизни на Земле.

Ну а далее — планеты, самые маленькие астрофизические объекты, необходимые для жизни, но, может быть, самые важные. Образование планет требует от Вселенной производства все тех же тяжелых элементов, а значит, все ограничения и условия, которые мы только что обсуждали, так же важны. Кроме того, существование планет требует, чтобы Вселенная была достаточно холодна для конденсации твердых тел. Если бы наша Вселенная была всего в шесть раз меньше, чем сейчас, и, следовательно, в тысячу раз горячее, то частицы межзвездной пыли испарились бы, и для образования каменистых планет попросту не было бы «строительного материала».