Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Существует множество вариантов, при которых всё на ядерной кухне могло бы пойти наперекосяк. Если бы в природе отсутствовали слабые взаимодействия или если нейтрино были бы слишком тяжёлыми, то протоны не смогли бы превращаться в нейтроны в процессе ядерного синтеза. Синтез углерода крайне чувствителен к свойствам ядра 12C. Одним из крупных научных событий XX века стало предсказание космологом Фредом Хойлом одного из таких свойств, исходя только лишь из факта нашего существования. В начале 1950-х годов Хойл заявил, что существует «бутылочное горло» в цепочке синтеза тяжёлых элементов в звёздах. Оно не позволяло продвинуться в синтезе элементов дальше гелия-4. Синтез следующих элементов обычно идёт путём присоединения протона к существующему ядру, но стабильного ядра с атомной массой 5 не существует, и выходит, что не существует простого способа получить химические элементы тяжелее гелия.

Но раз нет простого пути, пойдём сложным. Пусть два ядра гелия-4, столкнувшись, образуют ядро с атомной массой 8. Это ядро является изотопом бериллия. Если спустя небольшое время с ядром бериллия-8 столкнётся ещё одно ядро гелия-4, то они образуют ядро с атомной массой 12, а это – хорошо известный нам углерод, являющийся основой органической химии. Тем не менее в этой красивой схеме есть серьёзный изъян.

Бериллий-8 – очень нестабильный изотоп. Он распадается настолько быстро, что не успевает дождаться, пока с ним столкнётся ядро гелия-4, если только не произойдёт чудо. Таким чудом могло бы стать наличие у атома углерода возбуждённого состояния, так называемого резонанса, причём энергия этого возбуждённого состояния должна иметь строго определённую величину – 7,82 МэВ. В этом случае вероятность захвата ядром бериллия-8 ещё одного ядра гелия-4 возрастает во много раз, что оказывается достаточным для продолжения цепочки синтеза более тяжёлых элементов. И представьте себе: в скором времени у ядра углерода-12 действительно было открыто возбуждённое состояние, и его энергия оказалась в точности равной предсказанной Хойлом! Окажись энергия этого состояния чуть больше или чуть меньше, и синтез ядер тяжелее гелия стал бы невозможным, а вместе с ним стало бы невозможным и возникновение жизни.

Энергия хойловского резонанса углерода очень чувствительна к значению некоторых фундаментальных констант, в том числе – к значению постоянной тонкой структуры. Измените величину постоянной тонкой структуры всего на несколько процентов, и углерода во Вселенной не будет, а без углерода не будет жизни.[64] Именно это имел в виду Хойл, когда говорил, что «всё выглядит так, будто некий суперинтеллект играется с физикой, а также с химией и биологией».

Синтез – синтезом, но очевидно, что никакого синтеза у нас не будет, если во Вселенной не будет звёзд. Вспомним, что совершенно однородная Вселенная не способна породить звёзды и галактики. Их существование зависит от наличия на самом раннем этапе эволюции Вселенной небольших неоднородностей, сгустков и комков. Контраст плотности в ранней Вселенной составлял порядка 10–5, но что бы произошло, если бы он оказался немного большим или меньшим? Если бы степень комковатости была в десять раз меньше, то есть 10–6, то галактики оказались бы слишком маленькими, а звёзды чересчур редкими. Взрывы сверхновых также происходили бы гораздо реже, и к настоящему времени большая часть Вселенной представляла бы собой чрезвычайно разреженные облака водорода и гелия. Если уменьшить контраст плотности ещё чуть-чуть, то образование галактик и звёзд станет вообще невозможным.

А если увеличить начальную комковатость, скажем, в 100 раз? Тогда Вселенная наполнится гигантскими монстрами, которые проглотят всё вещество задолго до того, как из него успеют сформироваться первые звёзды. Не беспокойтесь, я ещё не сошёл с ума. Гигантскими монстрами я метафорически называю гигантские чёрные дыры. Помните, что сила гравитационного притяжения пропорциональна произведению взаимодействующих масс? Если вариации плотности будут слишком большими, то гравитация очень быстро соберёт вещество в области с повышенной плотностью, которые через короткое время провалятся под горизонт. Даже увеличение первоначального контраста плотности всего в 10 раз, до 10–4, создаст угрозу для возникновения жизни, поскольку плотность звёзд в Галактике будет слишком велика и это повысит вероятность катастрофического столкновения Солнца с другой звездой.

Таким образом, исходная степень неоднородности Вселенной порядка 10–5 имеет важное значение для возникновения жизни. Но может быть, такое значение контраста плотности с легкостью возникает естественным путём? Конечно, нет! Необходимо очень точно подогнать исходные параметры раздувания Вселенной, чтобы получить желаемый результат. Опять проделки хойловского суперинтеллекта?

И это ещё не всё. Законы Физики элементарных частиц требуют, чтобы каждой частице соответствовала античастица. Каким же образом во Вселенной возник такой большой перевес материи над антиматерией? Мы, физики, предполагаем, что произошло следующее.

Когда Вселенная была молодой и горячей, она была заполнена плазмой, содержавшей почти равное количество материи и антиматерии. Дисбаланс был крайне мал. На каждые 100 000 000 антипротонов приходился 100 000 001 протон. В процессе охлаждения Вселенной частицы и античастицы аннигилировали друг с другом, превращаясь в фотоны. Сто миллионов антипротонов нашли сто миллионов партнёров и совершили массовое самоубийство, оставив после себя 200 000 000 фотонов и единственный живой протон. Из этих немногочисленных выживших и состоит всё вещество современной Вселенной. Если сегодня взять кубический метр межгалактического пространства, он будет содержать в среднем 1 протон и 200 000 000 фотонов. Если бы на начальном этапе не было этого небольшого дисбаланса между веществом и антивеществом, некому было бы сегодня читать эту книгу.

Ещё одним важным условием для возникновения жизни является чрезвычайная слабость гравитационного взаимодействия. В повседневной жизни гравитация не кажется нам слабой. Чем старше мы становимся, тем больше хлопот доставляет нам сила тяжести. Я до сих пор слышу причитания моей бабушки: «Ой-вей, я чувствую, что вешу тысячу фунтов!» Но я не припомню, чтобы она когда-либо жаловалась на величину электромагнитного или сильного взаимодействия. Тем не менее если вы сравните величины электромагнитного и гравитационного взаимодействия между протоном и электроном, то увидите, что электрическое притяжение примерно в 1041 раз сильнее гравитационного. Откуда взялось такое огромное соотношение? Физики имеют кое-какие соображения на этот счёт, но я по секрету скажу вам, что на самом деле никто не знает причин такого гигантского различия между величиной электромагнитного и гравитационного взаимодействий, несмотря на важное значение этого различия для нашего существования.[65] К чему бы привело небольшое увеличение силы гравитационного взаимодействия? Ответ вы уже многократно слышали: некому было бы задавать подобные вопросы. Увеличение температуры и давления в недрах звёзд из-за необходимости противостоять более сильной гравитации, стремящейся сжать звезду, привело бы к слишком быстрому расходованию ядерного горючего. Звёзды жили бы слишком мало, не оставляя времени для развития жизни на обращающихся вокруг них планетах. Хуже того, Вселенная быстро наполнилась бы звёздными трупами – чёрными дырами, которые высосали бы из неё остатки вещества, обрекая процесс возникновения жизни на неудачу ещё до его начала. Слишком сильное гравитационное взаимодействие может даже остановить хаббловское расширение, стянув Вселенную обратно в то состояние, из которого она возникла.

Насколько серьёзно следует относиться к этому набору счастливых случайностей? Дают ли они веские основания для принятия антропного принципа? На мой взгляд, всё это впечатляет, но не настолько, чтобы, не раздумывая, кинуться в объятия антропного объяснения. Ни одно из этих совпадений, за исключением слабости гравитации, не требует особо точной настройки соответствующих констант. И даже слабость гравитации имеет вполне рациональное объяснение, связанное с магией суперсимметрии. Взятые все вместе, эти совпадения могут показаться маловероятной массовой аварией, но иногда случаются и массовые аварии.

Однако малость космологической постоянной – это совпадение совсем иного рода. Чтобы сделать первые 119 десятичных знаков вакуумной энергии нулями, нужно нечто большее, чем простая случайность. Космологическая постоянная оказалась не просто очень мала. Если бы она была, например, равна нулю, ещё можно было бы подвести под это значение какую-нибудь разумную математическую или физическую базу. Событием, обрушившимся на наши головы, как тонна кирпичей, стало открытие, показавшее, что 120-й десятичный знак отличен от нуля. Перед этим загадочным фактом оказалась бессильна вся наша математическая магия.