Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно - Минас Кафатос

Когда они это делают, возникают неожиданные совпадения. Например, в глубоком космосе взрыв самых больших звезд, массивных сверхновых, – явление, которое можно наблюдать с помощью мощных телескопов с Земли или ее орбиты. Взрывы сверхновых, произошедшие миллиарды лет назад, ответственны за формирование всех существующих тяжелых элементов, таких как кальций, фосфор, железо, кобальт и никель. Атомы этих элементов сначала были разрозненной межзвездной пылью, но гравитация заставила их соединяться друг с другом, и в конце концов они попали внутрь древней солнечной туманности, а из нее образовались все планеты, в том числе и наша. Железо, которое делает вашу кровь красной, ведет свой род от сверхновой, которая саморазрушилась эоны назад. Специфика взрыва определяется слабой силой, существующей в бесконечно малом масштабе атомного ядра. Если бы эта сила была слабее на 1 % или около того, ни взрывов сверхновых, ни образования тяжелых элементов, ни, следовательно, жизни, какой мы ее знаем, не было бы. Константа, определяющая слабую силу, должна была быть именно такой, какова она есть.

Рассмотрим некоторые конкретные случаи тонкой настройки на уровне повседневной реальности, где материя удобно скомпонована из атомов и молекул. Свойства, называемые «постоянной тонкой структуры», определяют свойства этих атомов и молекул. Это отвлеченное число, примерно 1/137. Если постоянная отличалась бы от имеющейся всего на 1 %, то не было бы атомов или молекул, какими мы их знаем. Постоянная тонкой структуры, связанная с жизнью на Земле, определяет, как поглощается солнечная радиация в атмосфере Земли и как в зеленых растениях происходит процесс фотосинтеза.

Солнце испускает лучи преимущественно в той части спектра, где атмосфера Земли прозрачна для них. Проблема в том, что солнечное излучение определяется величиной гравитационной постоянной. Почему макроскопическая величина, а именно сила тяжести, должна быть такой, чтоб излучение в нужной части спектра могло поглощаться растениями? Нужная для передачи света в атмосфере длина волн, способных привести свет на поверхность Земли, определяется постоянной тонкой структуры, которая применима в микроскопическом масштабе.

Нет никакой определенной причины, по которой две отдельные константы – управляющая сверхбольшими вещами и управляющая сверхмалыми вещами – должны быть взаимосвязаны. Примерно так же выглядело бы чье-нибудь «открытие», что отпечатки пальцев ребенка могут рассказать вам, вырастет ли из него нейрохирург. Но если эти две константы не были бы взаимосвязанными, не было бы и той жизни, какую знаем мы. Проблема тонкой настройки была обоснованно названа одним из наибольших затруднений физики. Впрочем, и биологии тоже: жизнь так же зависит от хрупкого баланса констант. Фактически, тонкую настройку довела до высшей точки та самая невозможность Вселенной, приведшая к появлению жизни на Земле. Для возникновения ДНК потребовалось бы слишком много совпадений, начиная с самого Большого взрыва. Теоретики стали выяснять, являются ли эти совпадения в действительности чем-то другим, индикатором того, что не замечена некая глубинная связь. Ключи к этой скрытой связи – подозрительно точно настроенные константы. Впрочем, многие другие совпадения ведут к тем же мыслям.

Выяснение того, почему Вселенная так тонко настроена, занимает многих космологов, и определенному их контингенту уже давно неудобно приписывать рождение Вселенной чистой случайности. Вот знаменитая цитата из высказываний известного британского астронома Фреда Хойла (1915-2001 гг.):

«На свалке лежат все детали „Боинга-747“, порознь и в беспорядке. Через двор проносится вихрь. Какова вероятность того, что после этого на свалке будет стоять собранный „Боинг“, готовый к взлету? Она столь мала, что можно пренебречь ею, даже если торнадо пронесется через свалку размером со Вселенную».

Для большинства практикующих физиков аналогия Хойла не выдерживает критики, так как уравнения, лежащие в основе квантовой механики, и их огромная прогностическая сила определяют работу и случайностей, и неопределенности. Тем не менее объяснение того, почему константы так точно настроены, бросает вызов текущим знаниям. Существует даже интригующая возможность того, что отлаженность констант необходима для существования людей. Что, если случайность тут вовсе ни при чем?

Лучшие ответы на данный момент

Объяснить причину тонкой настройки ученые попытались через так называемый антропный принцип, получивший свое название от греческого «антропос» – «человек». Термин «антропный принцип» впервые появился в 1973 году на конференции, посвященной 500-летию со дня рождения Коперника. Основной принцип теории Коперника в том, что система, где Земля вращается вокруг Солнца, лишает человека центрального положения в творении. Один из главных авторов антропного принципа, астрофизик Брэндон Картер, заявил: «Наше место в космосе не обязательно центральное, но уж точно привилегированное». Это утверждение можно считать и возмутительным, и прорывным, в зависимости от ваших убеждений. Вернуть людей на привилегированное место в космосе на миллиарды световых лет – это было смело, если не более того. Чтобы спокойно описать суть антропного принципа, можно обратиться к известному британскому физику и математику сэру Роджеру Пенроузу, к его очень уважаемой книге «Новый разум Императора» (1989 г.).

Пенроуз пишет, что аргумент о предоставлении привилегированного положения людям полезен, «чтобы объяснить, почему сложились подходящие условия для существования (разумной) жизни на Земле в настоящее время». Несмотря на то, что физика склонна объяснять все случайностью, Пенроуз указывает на «поразительные числовые отношения между физическими константами (гравитационная постоянная, масса протона, возраст Вселенной и т. д.). Загадка этого в том, что некоторые отношения сохраняются только в нынешнюю эпоху земной истории, поэтому мы, по случайному совпадению, живем в совершенно особенное время (плюс-минус несколько миллионов лет!)»

Находясь здесь, мы оглядываемся и обнаруживаем, что космос привел нас к существованию. В этот момент необходим спокойный тон, потому что на пике спора креационисты, опирающиеся на Библию, буквально готовы наброситься на оппонента: мол, физика наконец поддержала их веру в то, что Бог дал человеку господство над Землей – именно так, как учит Книга Бытия! Любое предположение о том, что человеческие существа избраны Богом на каком-то этапе космической эволюции, – ересь для науки. Но антропный принцип и не предполагает религиозных объяснений. Он опирается на примечательный, но труднообъяснимый факт: на Земле сейчас существует интеллектуальная жизнь, а именно – мы, и именно мы способны измерять константы, которые породили разумную жизнь. Совпадение? Только ли?

Помочь может аналогия. Представьте, что медузы умны и хотят знать, из чего сделан океан. Исследователи медуз анализируют химический состав океана – и наблюдают удивительное: химические вещества внутри тела медузы точно соответствуют химическим веществам в морской воде. Слишком совершенное совпадение, чтобы быть только им. Должно быть другое объяснение.

Исследователи правы, потому что причина, по которой морская вода и жидкость внутри медузы совпадают, заключается в том, что эволюция создала медуз неспособными жить без моря.

Разве люди настолько важны?

Антропный принцип получил поддержку среди ученых, которым было неудобно громоздить совпадение на совпадение, не получая никаких окончательных объяснений, соответствующих современной науке. Как и в случае с медузами, связь между человеческим мозгом и постоянными во Вселенной могла быть обусловленной эволюционно. А может, и нет. Они могут быть связаны по какой-то другой причине, или связь окажется поверхностной, и мы обнаружим ключевые несоответствия, если продолжим поиски. Много спорят о том, есть ли в космосе вообще что-то случайное, но, по крайней мере, лед тронулся: замки сплошных случайностей отперты ключом разума. (Недавние открытия планет, вращающихся вокруг отдаленных, подобных Солнцу, звезд, увеличили возможность случайности: предполагается, что могут существовать миллионы и миллионы планет, потенциально способных поддерживать жизнь. Если это так, то Земля выиграла в космической лотерее, но ее выигрыш не уникален. Или уникально вообще все. Коперник смеется последним.)

Чтобы поднять авторитет антропного принципа, были сформулированы его сильная и слабая версии.

Слабый антропный принцип (WAP) пытается найти в уравнении любые исключения. Он не утверждает, что разумная жизнь на Земле была целью космической эволюции, начиная с Большого взрыва, а лишь гласит, что Вселенная, если она объяснима полностью, должна быть объяснима жизнью на Земле. Может быть, в константах, которые мы измеряли, есть какое-то пространство для маневра, то есть наши знания, хотя и верные, ограничены нашей перспективой.