Журнал "Вокруг Света" №11 за 2005 год - Вокруг Света

К сожалению, дать полный и всеобъемлющий ответ на вопрос о том, где находятся все эти вселенные, наука пока не может, как и объяснить, что было до того, когда благодаря квантовой флуктуации возник наш мир.

Реконструкция Вселенной

Сложно ли создать вселенную с условиями для зарождения Разума? Под Разумом будем иметь в виду жизнь белковых существ, похожую на нашу. Для возникновения такого рода жизни необходимы как минимум звезды, планеты и атомы.

Начнем с размерности пространства. Природа выбрала трехмерное, и это правильно. Физики, правда, говорят, что наш мир как минимум одиннадцатимерный. Но большая часть этих измерений компактна, а тех, в которых возможно движение, — три. Если пространство имеет всего два измерения или только одно, то в нем, по современным представлениям, нельзя обеспечить жизнеспособность сложных структур, и, соответственно, жизнь в нем невозможна. При трех измерениях пространства, как известно, орбиты планет, звезд в галактиках, а также галактик в метагалактиках устойчивы. Если число измерений больше трех, то, как показал физик Пауль Эренфест в начале прошлого столетия, планеты не смогут удержаться около звезд. Даже небольшие возмущения орбиты планеты приведут к тому, что она либо упадет на звезду, вокруг которой вращалась, либо улетит от нее. Аналогичная судьба постигает и атомы с их ядрами и электронами, они при большем числе измерений оказываются также неустойчивы.

Таким образом, три пространственных измерения идеально подходят для возникновения нашего устойчиво эволюционирующего Мира.

Есть еще особая координата — время, которое по неведомым нам причинам течет только в одну сторону. Без этой координаты в Мире не было бы развития и эволюционных изменений.

Согласно современным представлениям пространство и время возникают вместе с материей в процессе сверхбыстрого (так называемого инфляционного) расширения и Большого взрыва. Идея Большого взрыва впервые была выдвинута нашим соотечественником Г.А. Гамовым в 1946 году. В конце XX века она была дополнена инфляционным расширением и превратилась в достаточно стройную и признанную большинством ученых Стандартную Космологическую Модель.

Однако, хорошо представляя развитие событий в космических масштабах, ученые не могут объяснить, как все происходило на микроуровне. В частности, не совсем ясно, почему при Большом взрыве материи образовалось чуть-чуть больше, чем антиматерии, хотя из соображений симметрии при рождении нашего Мира частиц и античастиц должно было появиться поровну. Последнее было бы катастрофой для землян — по прошествии некоторого времени все протоны и антипротоны, а также электроны и позитроны успешно проаннигилировали бы между собой, оставив на просторах пустой Вселенной одни кванты света и нейтрино.

Частицы возникли на очень раннем этапе формирования Вселенной, когда ее температура равнялась 10112 К, а возраст —10-5 секунды. Для жизни белковых существ нужны тяжелые элементы типа углерода, который содержит 12 протонов в ядре. Протоны, имея одинаковый заряд, отталкиваются, а значит, такое ядро мгновенно распадется. Для обеспечения стабильности ядер нужны сильное взаимодействие и нейтроны. Однако нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Получается, что все нейтроны, рожденные в тот момент, когда Вселенная была горячей, должны распасться в дальнейшем. Но нейтроны нужны для образования ядер гелия еще до появления первых звезд. Дело в том, что ядерные реакции в звездах чувствительны к начальному составу вещества, и если гелий будет отсутствовать в момент рождения звезд, то темп термоядерных процессов в звездах изменится. В результате чего углерода, кислорода и других тяжелых элементов окажется слишком мало. Благодаря сильному взаимодействию при столкновении протон и нейтрон объединяются в одно целое — ядро дейтерия, внутри которого нейтрон может существовать сколь угодно долго. Но когда Вселенная была горячей с температурой 1010 К, имелось много высокоэнергичных фотонов, которые разрушали ядра дейтерия, освобождая при этом нейтроны.

Параметры слабого взаимодействия, приводящего к распаду нейтрона, таковы, что время жизни этой частицы составляет 15 минут. Что, в общем-то, много для распадающихся частиц. Например, время жизни мюона всего 2х10-6 секунды, остальные, нестабильные частицы распадаются еще быстрее. Этих 15 минут достаточно, чтобы температура Вселенной уменьшилась, и средняя энергия фотонов стала недостаточной для разбивания ядер дейтерия.

Именно в результате первичного нуклеосинтеза (температура около миллиарда Кельвин) появляется стабильный гелий. Ядерные реакции могли бы и дальше постепенно увеличивать массы ядер, но «утяжеление» ядер со временем прекращается по нескольким причинам. Во-первых, в результате расширения пространства расстояние между частицами возрастает и вероятность их столкновения уменьшается. Во-вторых, вследствие того же расширения энергия ядерных частиц становится недостаточной для их слияния.

Скорость расширения Вселенной — серьезный фактор, влияющий не только на содержание химических элементов в нашем Мире. Вселенная должна расширяться не слишком быстро, чтобы успели образоваться галактики, но и не очень медленно, чтобы не допустить чересчур высокой средней плотности вещества в ней — тогда останутся одни черные дыры.

Случайная закономерность

Как бы вы отнеслись к человеку, пытающемуся вычислить из неких первоначальных соображений массу нашей планеты Земля? Наверное, вы бы попытались объяснить ему, что планет много, что масса каждой образуется в результате множества случайных факторов, что в принципе такой теории не существует, просто есть много планет с разным климатом, а человечество реализовалось на одной из них, благоприятной. Но где гарантия, что, например, с массой электрона ситуация не аналогична? Возможно, вселенных много, в каждой из них — своя масса электрона и свои разумные существа. Эта любопытная идея давно обсуждается учеными. Где эти вселенные расположены, почему у них разные свойства, можно ли достичь их в будущем — вот неполный перечень вопросов к сторонникам подобной идеи. Кроме того, если «все возможно», то зачем изучать конкретную вселенную? Не будем ли мы в таком случае напоминать червячков, живущих на одном из яблок и с увлечением обсуждающих генезис, цвет, топологию и размеры яблока-вселенной?

Звездные фабрики

Поскольку для жизни белковых существ нужны углерод и другие тяжелые элементы, а в результате первичного нуклеосинтеза (в молодой и горячей Вселенной) образуются ядра не тяжелее гелия, необходимы другие способы их синтеза. Чтобы появились планеты с живыми организмами, Вселенная должна охлаждаться, но при низких температурах ядерные реакции прекращаются и тяжелые элементы не синтезируются. Для появления тяжелых элементов нужны звезды, которые нагревают небольшую область пространства Вселенной и выполняют сразу две важнейшие функции: все ядра, более сложные, чем гелий, образуются в результате реакций внутри звезд, и эти же ядерные реакции дают тепло для звезд, обогревающих и освещающих живые существа на планетах. Причем долгая жизнь звезд, исчисляемая миллиардами лет, возможна благодаря тому, что первая реакция, превращающая два протона в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в цепочке ядерных преобразований водорода в гелий происходит очень редко. В условиях Солнца время этой реакции — 6 миллиардов лет. Однако протонов в недрах Солнца очень много (примерно 1057 частиц), и тепловая мощность нашего светила в итоге составляет 3,88х1026 Вт.

Итак, внутризвездный нуклеосинтез запущен, и наработка строительного материала для живых существ идет полным ходом. Но возникает другая проблема. После того как горючее в звездной ядерной «печке» будет исчерпано, тяжелые ядра, рождающиеся внутри звезд, там и останутся. А внутри звезд, пусть и остывающих, трудно найти условия для появления разумных существ.

Известно, что массивные звезды живут не очень долго и взрываются в конце своего жизненного цикла. Образовавшиеся в звездах углерод и другие тяжелые элементы попадают в окружающий космос вместе с несгоревшим водородом. Но если звезды исчезнут, то кто будет обогревать разумных существ? В этом случае необходимы условия для образования новых звезд в дальнейшем — непрерывное умирание старых и рождение новых звезд. Произведя все химические элементы таблицы Менделеева из водорода и гелия — 92 сорта ядер, звезды взрываются, и в окружающее пространство попадает вещество, необходимое для формирования планет и новых звезд. Из возникших после взрывов газовых облаков образуется поколение звезд, готовое согревать своим теплом зарождающуюся жизнь. Причем это уже не только одинокие светила, но и окруженные планетами звезды. Первые звезды состояли из протонов и альфачастиц (ядра атомов водорода и гелия), а звезды следующих поколений уже обогащены тяжелыми элементами.