Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Фундаментальные постоянные, или Слава тебе, Господи!

Есть переменные величины, есть постоянные. Но существует особый класс величин, которые называют фундаментальными постоянными. Почему наука их выделяет? Потому что эти несколько чисел определяют, так сказать, «общую схему» всех возможных в природе явлений. К числу этих постоянных относятся массы некоторых элементарных частиц и параметры, характеризующие четыре фундаментальных взаимодействия — сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соотношение масс протона и электрона равно 1/1836 — ни больше, ни меньше. Нейтрон тяжелее протона на 0,14 %. Если мы возьмем два протона, то их взаимная гравитация будет в 1040 раз слабее их электрического отталкивания.

Можно ли считать список фундаментальных констант исчерпывающим? Нет, вряд ли. Значения некоторых неизвестны, хотя ясно, что они есть. Не исключено, что список изменится, если будут открыты новые элементарные частицы.

Однако гораздо более важным и волнующим является другое. Исследования в различных областях физики обнаружили, что многие существенные особенности нашей Вселенной чувствительны к точному значению некоторых чисел. Предположим, например, что нейтрон стал весить немного меньше протона. Тогда протоны окажутся нестабильными и станут распадаться на электроны и позитроны. Электроны на орбитах держать будет нечем, и атомы тоже распадутся. Свободные электроны начнут активно соединяться с позитронами и взаимоуничтожаться, испуская фейерверк фотонов. В итоге мы останемся в так называемом «нейтронном мире», состоящем из изолированных нейтронных ядер и излучения. В этом мире не будет химии, не будет сложных структур, не будет жизни.

Теперь, наоборот, чуть-чуть увеличим массу нейтрона. В таком случае нейтроны в атомных ядрах превратятся в протоны, ядра разорвутся из-за электрического отталкивания протонов, а свободные протоны «сольются» с электронами и образуют атомы водорода. Получится «водородный мир», в котором будет только водород, много-много водорода, но никаких других элементов. Довольно уныло!

Изменим силу слабого взаимодействия между частицами — и мы больше не увидим взрывов сверхновых. Ладно, скажете вы, сверхновые же очень далеко, это нас не касается. Касается! Без вспышек сверхновых тяжелые элементы оставались бы замурованными внутри звезд, и мы бы имели только легкие элементы, образовавшиеся во время Большого взрыва: водород, гелий, дейтерий и немножечко лития — жизнь из таких кубиков никак не образовать!

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация намного слабее всех остальных. Так может быть, от величины гравитационной силы ничего не зависит? Зависит! Но влияние гравитации становится существенным, только если у вас есть то-то вроде звезд или галактик. Именно слабость гравитации делает звезды большими. Если сделать ее сильнее, звезды станут меньше и будут прогорать быстрее. Даже небольшого усиления гравитации довольно для того, чтобы сделать время жизни звезд много меньше тех нескольких миллиардов лет, которые, как ни крути, требуются для появления разумной жизни.

Примеры можно приводить и дальше. Впрочем, и так уже ясно: налицо тончайший баланс между всего лишь несколькими величинами — свойствами Вселенной, от которого зависит, будет ли кому написать и прочитать о ней хоть слово или она окажется «безвидная и пустая». Речь идет о нашем присутствии в мире. Может быть, это указание на существование Творца? Он не лепит людей из глины, но производит тонкую настройку мира, с тем, чтобы существование людей стало физически возможным событием. И если нет, существует ли другое объяснение?

Самые яркие объекты во Вселенной — квазары. Это ядра активных галактик.

Антропный принцип

Как сказал однажды Михаил Жванецкий, вначале было слово, но судя по тому, что случилось дальше, слово было непечатным.

Представьте обезьяну, молотящую по клавишам пишущей машинки. Конечно, произведения, вышедшие «из-под пера» такого писателя, вряд ли кто-нибудь захочет напечатать — никакого смысла, только беспорядочный набор букв. Но если обезьяна будет «трудиться» достаточно долго, есть вероятность, что среди этих никчемных текстов окажется «Я помню чудное мгновенье».

Может быть, Создатель ничего специально не настраивал и не подгонял? Может быть, Он не слишком-то и заботился о нас? Может быть, Он, подобно нашей обезьяне, в беспорядке «надувал» вселенную за вселенной, как надувают мыльные пузыри, в огромном количестве, с различными наборами фундаментальных постоянных, и следовательно, с различными наборами свойств и внутренних возможностей. Подавляющее большинство из них вышли весьма унылыми, мрачными и тоскливыми. Однако среди них встретились и такие, которые обладали набором параметров, удобных для возникновения и продолжения жизни. Слава Богу! Счастливый случай!

Но тогда нет никакого божественного чуда в том, что все разумные существа станут наблюдать вокруг себя миры с редкими, удивительно удачно подобранными и выверенными свойствами. Штука в том, что других миров они никогда не увидят просто потому, что их возникновение и существование в этих мирах будет решительно невозможным; эти вселенные некому будет наблюдать!

Этот ход рассуждений известен как антропный принцип. Название было придумано в 1974 году кембриджским астрофизиком Брэндоном Картером, который сформулировал его так: «…все наши ожидания в отношении возможных наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей».

Антропный принцип — это хороший критерий отбора физических теорий. Теории, которые не допускают существование в мире живых и разумных наблюдателей — это неудачные теории. Они противоречат сами себе, ибо если мир действительно таков, то их просто некому было бы придумать! Но физики антропную аргументацию очень не любят, прежде всего потому, что следствия из нее нелегко ни подтвердить, ни опровергнуть посредством эксперимента. Почему так? Да потому, что антропное предсказание требует существования того, что не так давно стали называть Мультиверсом.

Понятие Мультиверса было введено Мартином Рисом, английским королевским астрономом и, кстати сказать, бывшим одноклассником Брэндона Картера. «Universe» по-английски значит «вселенная», а «Multiverse» — «много вселенных». Это грандиозный ансамбль, который включает много, очень много или даже бесконечное множество различных «доменов» или «вселенных» с различными наборами фундаментальных постоянных и физических свойств. Рассматривают три вида мультиверсных ансамблей. Первый — это когда одно пространство-время, одна Вселенная разделена на множество регионов. Второй вид состоит из отдельных, не связанных и независимых вселенных. И третий — смешанный: множество вселенных, состоящих из множества регионов.

Мультиверс сам по себе похож на фантастический сюжет. До недавнего времени таковым он и оставался: даже надеяться на то, чтобы получить его в рамках научной теории, представлялось ненаучным. Но теория вечной инфляции описывает именно Мультиверс — вспомним «глобальную Вселенную», «Вселенную вселенных». Описывает научно, а не фантастически, хотя, как мы убедились на предыдущих страницах, иногда описание это выглядит совершенно фантастическим!

В 1910 году Земля прошла через хвост кометы Галлея, одной из составляющих которого является ядовитый газ циан. Один из ведущих астрономов того времени Камиль Фламмарион заранее предсказал, что этот газ отравит атмосферу и может убить все живое на планете. В связи с этим население усиленно покупало защитные маски, а также выпущенные предприимчивыми производителями противоциановые пилюли и зонты. В итоге оказалось, что ядовитый газ в хвосте кометы был очень разрежен и не оказывал никакого влияния на живых существ.

Применение антропного принципа — все еще крайняя мера в физике. Но если какая-то проблема и требовала применения крайних мер, то это проблема космологической постоянной. А теперь подумаем. Ведь у нас есть теория Мультиверса — это теория вечной инфляции. Квантовые процессы во время вечной инфляции неизбежно порождают огромные области со всеми возможными значениями фундаментальных постоянных. А это значит, что вечная инфляция естественным образом создает условия для применения антропного принципа! Если мы, исходя из теории инфляции, вычислим распределение значений космологической постоянной по разным вселенным, то, используя антропные соображения, сможем сделать проверяемые предсказания для значения этой постоянной у нас, в нашей вселенной.

Так мы убиваем сразу не двух, а трех «зайцев». Во-первых, мы можем объяснить, почему значение космологической постоянной у нас ненулевое. Во-вторых, если наши предсказания совпадут с наблюдениями (а так оно и выходит, пусть только статистически), теория вечной инфляции получает экспериментальное подтверждение. А это дорогого стоит, учитывая то, что речь идет о Мультиверсе, а не о булках и елках! И наконец, в-третьих, посредством теории инфляции мы переводим антропные аргументы из метафизических во вполне физические, в такие, на основе которых можно делать проверяемые в эксперименте предсказания.