Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Свойства нашей Вселенной в целом также позволяют обеспечить химическую среду, благоприятствующую развитию жизни. Хотя более тяжелые элементы вроде углерода и кислорода синтезируются в звездах, водород тоже является жизненно важным компонентом. Он входит в состав двух из трех атомов воды, H2O, — важной составляющей жизни на нашей планете. Рассматривая огромный ансамбль возможных вселенных и их возможных свойств, мы замечаем, что в результате первичного нуклеосинтеза весь водород мог быть переработан в гелий и даже более тяжелые элементы. Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, Вселенная могла бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.

Принимая во внимание эти соображения, становится ясно, что наша Вселенная действительно имеет нужные особенности, позволяющие наше существование. При данных законах физики, определенных значениями физических постоянных, величинами фундаментальных сил и массами элементарных частиц, наша Вселенная естественным образом создает галактики, звезды, планеты и жизнь. Если бы физические законы имели немного другой вид, наша Вселенная могла бы быть совершенно непригодна для проживания и крайне бедна астрономически.

Проиллюстрируем требуемую тонкую настройку нашей Вселенной чуть более подробно. Галактики, один из астрофизических объектов, необходимых для жизни, образуются, когда гравитация одерживает верх над расширением Вселенной и провоцирует сжатие местных областей. Если бы сила гравитации была гораздо слабее или скорость космологического расширения гораздо быстрее, то к настоящему моменту в космосе не было бы ни одной галактики. Вселенная продолжала бы рассеиваться, но не содержала бы ни одной гравитационно связанной структуры, по крайней мере, на данный момент истории космоса. С другой стороны, если бы сила гравитации имела гораздо большую величину или скорость расширения космоса была бы гораздо ниже, то вся Вселенная вновь коллапсировала бы в Большом сжатии задолго до начала образования галактик. В любом случае в нашей современной Вселенной жизни бы не было. Значит, интересный случай Вселенной, заполненной галактиками и прочими крупномасштабными структурами, требует достаточно тонкого компромисса между силой гравитации и скоростью расширения. И наша Вселенная реализовала именно такой компромисс.

Что касается звезд, то здесь требуемая тонкая настройка физической теории сопряжена с еще более жесткими условиями. Реакции термоядерного синтеза, протекающие в звездах, выполняют две ключевые роли, необходимые для эволюции жизни: образование энергии и производство тяжелых элементов типа углерода и кислорода. Чтобы звезды сыграли отведенную им роль, они должны жить на протяжении долгого времени, достигнуть достаточно высоких центральных температур и быть достаточно распространенными. Чтобы все эти составляющие головоломки встали на свои места, Вселенная должна быть наделена обширным диапазоном особых свойств.

Наверное, самый понятный пример может предоставить нам ядерная физика. Реакции термоядерного синтеза и ядерная структура зависят от величины сильного взаимодействия. Атомные ядра существуют как связанные структуры, потому что сильное взаимодействие способно удерживать протоны рядом друг с другом, даже несмотря на то, что сила электрического отталкивания положительно заряженных протонов стремится разорвать ядро. Если бы сильное взаимодействие было чуть-чуть слабее, то тяжелых ядер попросту не было бы. Тогда во Вселенной не было бы углерода, а следовательно, и тех форм жизни, в основе которых лежит углерод. С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было еще сильнее, тогда два протона могли бы объединиться в пары, называемые дипротонами. В этом случае сильное взаимодействие было бы таким сильным, что все протоны во Вселенной объединились бы в дипротоны или даже в еще более крупные ядерные структуры, и обычного водорода просто не осталось бы. В отсутствие водорода во Вселенной не было бы воды, а следовательно, и известных нам форм жизни. К счастью для нас, наша Вселенная имеет как раз нужную величину сильного взаимодействия, чтобы разрешить водород, воду, углерод и прочие необходимые составляющие жизни.

Аналогичным образом, имей слабое ядерное взаимодействие совсем другую силу, это значительно повлияло бы на звездную эволюцию. Если бы слабое взаимодействие было гораздо сильнее, например, по сравнению с сильным взаимодействием, то ядерные реакции в недрах звезд протекали бы с гораздо большими скоростями, в силу чего значительно сократилась бы продолжительность жизни звезд. Также пришлось бы поменять и название слабого взаимодействия. В этом вопросе у Вселенной имеется некоторая отсрочка, обусловленная диапазоном звездных масс — небольшие звезды живут дольше и могут использоваться для управления биологической эволюцией вместо нашего Солнца. Однако давление вырожденного газа (из квантовой механики) не позволяет звездам сжигать водород, как только их масса становится слишком маленькой. Таким образом, серьезно уменьшилась бы даже продолжительность жизни самых долго живущих звезд. Как только максимальное время жизни звезды падает ниже отметки в миллиард лет, развитие жизни тут же попадает под угрозу. Фактическое значение слабого взаимодействия в миллионы раз меньше сильного, благодаря чему Солнце сжигает свой водород медленно и непринужденно, что и требуется для эволюции жизни на Земле.

Далее следует рассмотреть планеты — самые маленькие астрофизические объекты, необходимые для жизни. Образование планет требует от Вселенной производства тяжелых элементов, а следовательно, — тех же ядерных ограничений, что уже описывались выше. Кроме того, существование планет требует, чтобы фоновая температура Вселенной была достаточно мала для конденсации твердых тел. Если бы наша Вселенная была всего в шесть раз меньше, чем сейчас, и, следовательно, в тысячу раз горячее, то испарились бы частицы межзвездной пыли и для образования каменистых планет попросту не было бы сырья. В этой горячей гипотетической Вселенной в крайне подавленном состоянии оказалось бы даже формирование гигантских планет. К счастью, наша Вселенная достаточно прохладна, чтобы позволить образование планет.

Другим соображением служит долгосрочная стабильность Солнечной системы непосредственно с момента ее образования. В нашей современной Галактике как взаимодействия, так и сближения звезд одновременно редки и слабы из-за очень низкой плотности звезд. Если бы наша Галактика содержала такое же количество звезд, но была в сто раз меньше, повышенная плотность звезд привела бы к достаточно высокой вероятности вхождения в нашу Солнечную систему какой-то другой звезды, которая разрушила бы орбиты планет. Подобное космическое столкновение могло бы изменить орбиту Земли и сделать нашу планету необитаемой или вообще выбросить Землю из Солнечной системы. В любом случае такой катаклизм означал бы конец жизни. К счастью, в нашей Галактике предполагаемое время, по истечении которого наша Солнечная система переживет столкновение, изменяющее ее курс, намного превышает время, необходимое для развития жизни.

Мы видим, что долго живущая Вселенная, которая содержит галактики, звезды и планеты, требует достаточно специальный набор величин фундаментальных постоянных, определяющих значения основных сил. Таким образом, эта требуемая тонкая настройка поднимает базовый вопрос: почему же наша Вселенная имеет именно эти конкретные свойства, в конечном итоге порождающие жизнь? Ведь тот факт, что физические законы именно таковы, чтобы позволить наше существование, — это воистину замечательное совпадение. Создается впечатление, будто Вселенная каким-то образом знала о нашем грядущем появлении. Конечно, если бы условия сложились как-то иначе, нас просто здесь не было бы и некому было бы размышлять над данным вопросом. Однако вопрос «Почему?» от этого никуда не исчезает.

Понимание того, почему физические законы именно такие, какие они есть, подводит нас к границе развития современной науки. Предварительные объяснения уже выдвигались, однако вопрос по-прежнему остается открытым. Поскольку наука двадцатого столетия обеспечила хорошее рабочее понимание того, что есть наши законы физики, мы можем надеяться, что наука века двадцать первого даст нам понимание того, почему физические законы имеют именно такой вид. Некоторые намеки в этом направлении уже начинают появляться, как мы сейчас увидим.

Вечная сложность

Это кажущееся совпадение (что Вселенная имеет как раз те особые свойства, которые позволяют зарождение и эволюцию жизни) кажется куда менее чудесным, если принять, что наша Вселенная — область пространства-времени, с которой мы связаны, — это всего лишь одна из бесчисленного множества других вселенных. Другими словами, наша Вселенная — это лишь малая часть мультиверса — огромного ансамбля вселенных, каждая из которых имеет свои собственные варианты законов физики. В этом случае полная совокупность вселенных реализовала бы все многочисленные возможные варианты законов физики. Жизнь, однако, разовьется только в тех частных вселенных, которые имеют нужный вариант физических законов. Тогда тот факт, что нам случилось жить во Вселенной с нужными для жизни свойствами, становится очевидным.