Что меня действительно глубоко интсресуе., так это — мог лн Бог создать мир иным?

А Эйнштейн

Природа материального мира, его важнейшие свойства в значитель­ной мере определяются фундаментальными физическими посто­янными. К ним прежде всего относятся: массы важнейших элемен­тарных частиц протона, нейтрона и электрона: т„, те, заряд электрона е и фундаментальные физические консганты: постоян­ная тяготения G, постоянная Планка H (или H = H/2N), скорость света с, постоянная слабого взаимодействия Gw. Значения этих кон­стант зависят от выбранной системы единиц измерения. Наряду с ними используются безразмерные константы четырех физических взаимодействий:

Гравитационного

Слабого

Электромагнитного

Сильного

Значения констант получены из эксперимента. Но почему они именно такие?

В романе «Черное облако» известный английский астрофизик Ф. Хойп описал сообщество высокоразвитых Космических Разумов, которые познали все законы природы. Единственная проблема, которую им остается решить — кто задает фундаментальные посто­янные? Но как только кто-либо из членов сообщества приближает­ся к разгадке этой тайны — он бесследно исчезает. Современные
космологи также отважились взяться за эту проблему. Прежде всего им необходимо было ответить, почему константы имеют те самые значения, которые известны нам из опыта. Подход, который ис­пользовался при решении этой проблемы, вполне соответствовал обычной процедуре, принятой в физике: если нас интересуют зна­чения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значе­ния и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой си­стеме. Этот естественный и вполне разумный подход, применитель­но к фундаментальным константам, привел к совершенно неожиданным результатам.

Ну казалось бы, что может произойти, если мы немного изме­ним массу электрона? Соответственнс изменится размер атомов, а значит, и размер окружающих нас тел. Но если изменения массы электрона неьелики, то и размер тел должен измениться незначи­тельно. Во’ вроде и все! Или, что будет, если изменить значение пос тоянной тяготения G? Очевидно, для двух данных тел изменит­ся сила тяготения между ними. От величины тяготения зависит эво­люция Вселенной и эволюция отдельных небесных тел. Значит, из­менятся и эти тела, изменятся, в частности, их размеры. Но опять — таки, кажется, что если изменения постоянной тяготения будут невелики, то и свойства тел изменятся немного. Никаких глубоких качественных изменений во Вселенной при незначительной вариа­ции констант вроде бы не должно произойти. Оказалось, что по­добное заключение совершенно неверно. Незначительные вариа ции физических констант на самом деле ведут не к малым измене­ниям свойств небесных тел, а к радикальным качественным изменениям свойств Вселенной в целом. Причем эти изменения та­ковы, что они исключают возможность существования жизни во Все­ленной. Рассмотрим несколько примерев.

Начнем с «соотношения больших чисел», которое связывает констан­ты макро и микромира. Однс из соотношений такого рода связывает постоянную Хаббла Ни с атомными константами. Обратная величина постоянной Хаббла 1///,, имеет размерность времени, по порядку вели­чины она равна 1018 с. Рассмотрим комбинацию атомных констант, име­ющих ту же размерность: Ft /а^т .с2 . Подставляя значение констаит, можно убе. 1иться, что эта комбинация по порядку величины также равна 1018с. Таким образом, имеем:

(3-1)

"п О. тс1 v ‘

В этом выражении слепа стоит обратная величина постоянной Хаббла, которая характеризует свойства Вселенной в целом; справа — комбина­ция атомных констант. Конечно, это равенство приближенное, оно удов­летворяется только ио порядку величины. И все же даже такое прибли­женное совпадение, учитывая совершенно различный характер входящих в пего констант, — удивительно. Возникает вопрос: что это, чисто слу­чайное совпадение, или его можно предсказать теоретически? Оказывает­ся, для обитаемой Вселенной оно на самом деле должно иметь место.

Действительно, величина 1 /Н0 — это, так называемое, хаббловское время /„, которое определяет современный возраст Вселенной. А величина, стоящая справа в выражении (3.1), как следует из теории внутреннего стро­ения звезд, определяет время /, жизни звезды па главной последовательно­сти[117]. Значит, выражение (3.1) сводится к равенству: tH ~ ts. В обитаемой Вселенной такое соотношение с необходимостью должно выполняться. Дей­ствительно, если /н < T„ то к моменту Tu (современный возраст Вселенной) в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если же /н > F то к этому моменту все ядерное горючее уже выго­рит, ядерные реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут постав — ляп, энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие — г5, а значит, и соотаошение (3.1) является необходимым для жизни.

Итак, это соотношение (как и выше рассмотренное соотношение р = рк|,) связано с современным возрастом Вселенной. Оно накладывает опреде­ленное ограничение на положение человека (наблюдателя) во временной шкале: человек, познающий Вселенную, можег появиться лишь тогда, ког­да созревают необходимые условия, и он существует во Вселенной до тех пор, пока условия в ней допускают его существование. Если изменить зна­чения атомных констант, соотношение (3.1) выполняться не будет и суще­ствование человека в современный момент станет невозможным.

Значения фундаментальных констант накладывает ограничение не только на положение человека во временной шкале, но и на свойства самой Вселенной.

Рассмотрим постоянную тяготения. Если изменить ее значение, это приведет к изменению внутреннего строения звезд. В § 2.1 мы видели, что значительные по толщине слои Солнца, расположенные непосред­ственно иод его поверхностью, охвачены конвективным перемешивани­ем. Подобные конвективные зоны имеются и у других звезд главной по­следовательности с массой близкой к массе Солнца. Более массивные звезды не имеют конвективной зоны. Согласно существующим гипоте­зам образования звезд и планетных систем, последние возникают только у звезд, имеющих конвективную зону. Если несколько увеличить посто­янную тяготения, то тогда все звезды главной последовательности пред­ставляли бы собой горячие голубые гиганты, не имеющие конвективной зоны, и следовательно, у них не могли бы возникнуть планетные систе­мы. Более сильное гравитационное взаимодействие несовместимо с су­ществованием планет, а значит, и с существованием человека. Надо при­знать, что этот вывод основан на некоторых гипотезах, справедливость которых может быть подвергнута сомнению.

Более определенное заключение вытекает из рассмотрения константы сильного взаимодействия. Если бы она была меньше наблюдаемого значе­ния, то ядерные силы оказались бы недостаточными для того, чтобы удер­жать нуклоны в составе атомного ядра. В таком мире ие могли бы суще­ствовать никакие химические элементы, кроме водорода В нем отсут­ствовала бы химическая форма движения материи и не могла бы существовать жизнь известного нам типа.

Обратимся теперь к массам элементарных частиц. Масса электрона, выраженная в энергетических единицах, составляет 0,5 МэВ Масса про­тона и нейтрона порядка 103 М.~В. При этом масса нейтрона па 1,3 МэВ больше массы протона. Эта разница масс Am на 0,8 М.»В превышает мас­су электрона или. иными словами, сумма масс покоя электрона и про­тона на 0,8 М >В меньше массы нейтрона Это очень важное обс тоятель­ство, оно объясняет, почему электрон в атоме водорода пе вступает во взаимодействие с протоном, образуя нейтрон р + ё —> л + V. Для подобной реакции не хватает энергии Ведь необходимо, чтобы суммарная Nicpi ия протона и электрона равнялась суммарной энергии образующихся пейтро на и нейтрино. На ускоритетях, ко*да )лектроп и протон сталкиваются с большими скоростями, эта реакция протекает весьма эффективно. Но в обычных условиях, в атоме во’юрода, поскольку суммарная масса покоя протона и электрона меньше массы нейтрона (не говоря уже об энергии вмделяющс) ося нейтрино), эта реакция идти ие может. Если бы масса электрона была, например, втрое больше, составляя 1,5 МэВ, то реакция могла бь1 идти В этом случае атом водорода пе мог бы существо! ать, он разрушился бы примерно через 30 часов после образования То же самое будет иметь место, если, не меняя массу электрона, изменить массу прото­на или пей фона так, чтобы рамость их — мае.. Am уменьшилась на 0,8 M.JB. Поскольку масса протона и иейхрона порядка 103 Мэ!$, то достаточно ничтожного изменения масс этих частиц, па величину — 0,1 %, для того чтобы реакция стала возможной. Таким обра юм, если изменение посто­янной сильного взаимодействия, как мы видели выше, приводит к тому, что во Вселенной не могут существовать никакие химические элементы, кроме водорода, то при незначительных изменениях массы протопа и ней фона во Вселенной не может существовать и водород А следовательно, и все остальные химические элементы, ибо все они обра |уюгся из водород? Конечно, в такой Вселенной пе могла бы существовать и жизнь.

Итак, /ця существования атома водорода необходимо выполнение ус­ловия Am > п. Если бы нам пришлось конструировать Вселенную, мы должны были бы считаться с этим условием Казалось бы, удовлетворить ему не очень сложно — надо выбрать массу протона и нейтрона так, чтобы их разность (Ai#I=« — тр) была больше массы электрона п*г. Но, с крутой стороны, нельзя допустить, чгобы величина Am была слишком большой, ибо в этом случае мы столкнемся с проблемой дейтерия

Ядро дейтерия (тяжелого водорода) состоит из протопа и нейтрона, которые удерживаются ядерными силами. Энергия связи частиц в ядре дейтерия составляет есп=2,2 МэВ. Ядерные силы препятствуют распаду нейтрона и делают ядро дейтерия стабильным. В свободном состоянии нейтрон легко распадается на протон и электрон с испусканием анти­нейтрино: Ri—)P+E +v. Разность масс нейтрона и протона идет на образо­вание электрона, а оставшаяся масса превращается в энергию Е движе­ния образующихся частиц: Е = Am — те = 0,8 МэВ. Поскольку внутри ядра дейтерия энергия связи превышает энергию движения образующих­ся частиц, то нейтрон не может расласться, и ядро останется стабиль­ным Условие стабильности ядра:

Ecn > Е — ДТ — те, или Am < Ecn + тс.

Если это условие нарушается, то дейтерий не может существовать. Су­щественно ли это для жизни? Хотя дейтерий — очень редкий элемент, его полное отсутствие имело бы катастрофические последствия для Вселен­ной Действительно, образование ядра дейтерия (дейтона) является пер­вым звеном в цепочке ядерных реакций, ведущих от водорода к более тяжелым элементам. Если бы не было дейтерия, не было бы и этих эле — ментог Мы снова пришли к безжизненной чисто водородной Вселенной.

Два последних примера иллюстрируют еще одно важное обстоя­тельство: исключительно «гонкую настройку Вселенной» для жизни. Действительно, для существования водорода необходимо, чтобы вы­полнялось условие Am > тп для стабильности дейтерия необходимо условие Am <eCD + те. Для того чтобы во Вселенной могла существо­вать жизнь, надо, чтобы выполнялись оба эти условия одновремен­но, т. е. Am должно бьггь заключено в очень узких пределах:

Те < Am < eCD + те

Или

0,5 МэВ < Am < 2,7 МэВ.

Разность масс протона и нейтрона удовлет воряет приведенному условию. Но насколько «узки» эти ворота? Протон и нейтрон — две частицы с очень близкими свойствами, они отличаются лишь зарядом и небольшой разностью масс. Существуют и другие семей — ст ва похожих между собой частиц, они получили название изото­пических мультиплетов. Так вот, если взять разность масс Am для частиц, входящих в изотопические мультиплеты, то для всех семейств она существенно больше, чем для протона и нейтрона и, что весьма существенно, больше предельного значения 2,7 МэВ. На это обра­тил внимание И. Л. Розенталь. Для протона и нейтрона величина Am минимальна, это своего рода флуктуация в распределении Am пдя различных мультиплетов. Любопытно, что в Природе осуще­ствилась эта редкая флуктуация! Но если бы этого не произошло, жизнь во Вселенной была бы невозможна.

Еще более впеча тляющий пример связан с массой электрона. Если мы возьмем массы всех элементарных частиц, то окажется, что боль­шинство частиц имеет массу чуть больше массы протона. Имеется некоторое количество частиц с массами в 10 раз больше и в 10 раз меньше массы протона. Электрон — самая легкая из заряженных элементарных частиц, он почти в 2000 раз легче протона. Ближай­шая к электрону по массе частица мюон имеет массу в 200 раз боль ше электрона. Значит, электрон не просто наилегчайшая часгиц, он Существенно легче всех остальных частиц. Это очень редкая флук туация! И опять-таки если бы эта флуктуация не реализовалась в Природе, то нарушилось бы необходимое условие жизни: тс < Am. И. Л. Розенталь приводит и другие примеры[118].

Основной вывод, который следует из этого анализа, состоит в следующем: во Вселенной реализовался очень редкий набор фунда­ментальных констант, представляющий собой редкую флуктуацию их возможных значений. Причем структура Вселенной оказалась крайне чувствительна к числовым значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Доста­точно значению каких-либо из постоянных выйти за эти пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения, в ней становится невозможным существование одного или несколь ких основных структурных элементов — атомных ядер, самих ато­мов, планет, звезд или галакт ик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Это означает, что в любой обитае­мой вселенной (мыслимой или реально существующей) фундамен­тальные физические констант ы не могут иметь иные значения, кро­ме тех, которые известны нам из опыта. Развитие этих идей приве­ло к формулировке космологического антропного принципа.