Пороги, которыми нас приперает

… Сто лет назад, в 1919-м, немецкий математик Герман Вейль подсчитал, что сила электрического взаимодействия между протоном и электроном в атоме водорода на 39 порядков больше, чем сила их же гравитационного притяжения. Это колоссальное различие. Но почему оно именно такое численно? Этот вопрос повис тогда без ответа.

Во второй половине 1930-х немецкий физик Ханс Бете, эмигрировавший в США, высчитал баланс термоядерных источников энергии звезд, согласно которому запасов водородного топлива солнцеподобным звездам хватает на несколько миллиардов лет – цифра в ту пору ошеломляющая. Английский физик Поль Дирак сравнил этот самый большой встречавшийся в науке интервал времени с самым кратким (на тот момент 10 в минус 24-й степени секунды, который необходим свету, чтобы пройти путь, равный диаметру протона). Соотношение вновь получилось около 10 в степени 39. Неужели это просто случайное совпадение?

Ответ дал в 1961 году американский астроном Роберт Дикке, показавший, что только если соотношения Вейля и Дирака столь огромны и близки друг к другу, звезды наработают достаточно тяжелых элементов, в частности углерода, чтобы успел появиться человек с его углеродной формой жизни. После Второй мировой войны теорию синтеза элементов в звездах успешно развивал британский астрофизик Фред Хойл, введший в употребление термин «биг-бэнг» - Большой взрыв.

После того, как антропный принцип был сформулирован Брэндоном Картером, физики и космологи взялись азартно искать, как отразятся на возможности существования людей различные модификации в физических законах. По нынешним представлениям, все многообразие физических явлений сводится к четырем базовым взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Уравнения, которые их описывают, содержат так называемые фундаментальные постоянные. Среди них скорость света, задающая темп самых быстрых превращений; постоянная Планка, определяющая масштаб квантовых явлений; гравитационная постоянная, характеризующая силу всемирного тяготения, а также массы, заряды и другие параметры ряда элементарных частиц. Значения фундаментальных постоянных, а всего их сегодня насчитывается 26 штук, не выводятся из теории, а измеряются экспериментально (причем, далеко не все из констант уже строго определены). Естественно, физиков гложут вопросы, а что случилось бы с нашей Вселенной при изменении этих данностей?

Начать хотя бы с частиц, из которых состоят атомы. Положительно заряженные протоны всего на 0,14% легче нейтронов, лишенных электрического заряда. Но эта разница почти вдвое больше массы электрона. Избыток массы позволяет свободному нейтрону спонтанно испустить электрон (и антинейтрино), превратившись в протон. А вот протон не может самопроизвольно стать нейтроном – ему для этого нужно откуда-то взять недостающую массу. Поэтому протоны стабильны, а нейтроны – нет. Окажись масса протона всего на четверть процента больше, ситуация стала бы обратной, и Вселенная лишилась бы водорода, ибо его ядра и есть одиночные протоны. Без водорода не зажглись бы звезды, не образовались тяжелые элементы и уж, конечно, в таком нейтронном мире не было бы жизни. Хотя заметно уменьшить массу протона тоже нельзя. Иначе нейтроны окажутся слишком неустойчивыми, и будут превращаться в протоны даже внутри атомных ядер (как это происходит с некоторыми радиоактивными изотопами). Электрическое отталкивание перенасыщенных протонами ядер вызвало бы их разрушение, и во Вселенной остался бы один лишь водород, чего для жизни явно недостаточно.

А если, к примеру, увеличилось бы немного ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны? Это укрепит стабильность атомного ядра, слипшегося из двух протонов без нейтронов (так называемый гелий-2). Расчеты говорят, что в таком мире сразу после Большого взрыва все протоны сольются в пары, и во Вселенной не останется водорода, а значит, не будет ни воды, ни жизни. А если всего в несколько раз усилить гравитацию (помните, она слабее электромагнетизма в 10 с тридцатью девятью нулями раз), тогда звезды, сжавшись, будут прогорать в десятки тысяч раз быстрее, не оставляя времени для биологической эволюции с образованием тяжелых элементов и углеродной формы жизни.

Если тронуть слабое взаимодействие, определяющее поведение нейтрино – тогда перестанут взрываться сверхновые, которые рассеивают в космосе наработанные в чреве звезд тяжелые элементы, и перестанут образовываться планеты. 

Оказывается, что в законах физики буквально ни к чему нельзя прикоснуться без риска получить мир, лишенный наблюдающего за ним разума. Этот ограничительный факт стали именовать «тонкой настройкой» Вселенной, и он взывал к убедительному разъяснению.

Среди научных подходов к разъяснению фигурируют две конкурирующие идеи. Одна из них утверждает, что существующая настройка Вселенной является итогом еще не сформулированного физического канона такой не непреложности, какой числом П увязываются длина окружности с ее диаметром.

Противостоящая идея, нареченная Мультиверсом, утверждает, что мы обретаемся в одной из сонма непричастных к остальному множеству Вселенных, где редкостным образом совпали благоприятные для нашей жизни параметры.

Конечно, абсолютное большинство упомянутых Вселенных из-за «порочных» настроек абсолютно безжизненны, но об этом все равно никто не узнает, а мы появились в некоей пригодной для бытия обители.

…В 1917 году Альберт Эйнштейн обнаружил, что уравнения его новой теории тяготения предрекают гравитационный коллапс Вселенной. Чтобы избежать его, ученый ввел поправочное данное – космологическую постоянную. Ныне ее отождествляют с плотностью темной энергии. Этот параметр – одна из фундаментальных постоянных, определяющих эволюцию Вселенной. Увы, теоретически предсказать ее значение не удается. Хотя нобелевский лауреат Стивен Вайнберг таки оценил диапазон ее значений, совместимых с существованием жизни на Земле. А на рубеже ХХІ века разными методами все же удалось измерить космологическую постоянную. Она оказалась двукратно выше средней плотности реальной материи в нашей Вселенной, то есть отвечает диапазону благоприятствия углеродной форме земной жизни, рассчитанному по теории Мультиверса. Иными словами, наш угол в Мироздании – одна из безграничного числа не связанных меж собою Вселенных, где редкостным образом совпали благоприятные для жизни параметры.

Основания современной теоретической физики далеки от совершенства. Три из четырех фундаментальных взаимодействий описываются квантовой теорией Поля и Стандартной моделью элементарных частиц. Но математически они несовместимы с Общей теорией относительности, описывающей гравитацию. В числе главных претендентов на такой ранг – сложнейшая математическая конструкция, известная как теория струн. Все элементарные частицы в этой теории представлены не точками, а крошечными туго натянутыми колечками-струнами, размером в миллиарды раз меньше атомного ядра. Все колечки постоянно вибрируют, но не в трех, а в десяти пространственных измерениях. Каждому типу колебаний соответствует определенный набор свойств частицы – масса, заряд и т.п. Данные параметры высчитываются из анализа возможных колебаний элементарных струн – не теория, а мечта! Надо лишь убедиться, что вычисленные характеристики частиц совпадают с наблюдаемыми, и станет ясно, что никакая другая Вселенная невозможна – у Создателя просто не было выбора. Антропный же принцип останется зашвырнуть, как хлам истории.

Однако… набор степеней свободы струн, достаточный для характеризации всех частиц, появляется лишь в десятимерном пространстве. Этот казус можно выправить допущение, что 7 из 10 измерений свернуты. Но свернуть лишние измерения можно… десятью в пятисотой степени числом методов. Как тут обоснованно выбрать желаемый вариант Вселенной с просчитанным набором физических свойств? Вот и позавидуешь научности метода Джордано Бруно – другие звезды, о которых он говорил, были, по крайней мере, видны на небе.

по материалам А.Сергеева