Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 66)

С другой стороны, при N = 1, 2 сила взаимодействия падает с расстоянием слишком медленно. Поэтому какую бы скорость ни придать заряду, он не сможет уйти из поля притяжения центрального тела, он как бы находится в глубокой (бесконечно глубокой) потенциальной яме, и чтобы извлечь его оттуда, надо затратить бесконечно большую энергию. Следовательно, в таком пространстве не существовало бы свободного движения тяготеющих масс, и в его («одномерных» или «двумерных») атомах не могли бы происходить процессы ионизации. В таком мире не существовали бы процессы возникновения и распада, процессы обмена, характерные для жизни. Только в трехмерном мире возможно возникновение сложных молекулярных структур, обладающих способностью к обмену, изменчивости, эволюции.

Понятно теперь, почему мы живем в трехмерном мире: в другом мире мы просто не могли бы существовать. Это относится не только к человеку, но и к любому разумному существу с телом, представляющим собой сложную структуру, построенную из атомов.

Следующий шаг в исследовании отношения «человек-Вселенная» связан с фундаментальными физическими константами.

3.4. Кто задает физические постоянные?

Что меня действительно глубоко интересует, так это — мог ли Бог создать мир иным?

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: m_p , m_n , m_е , заряд электрона е и фундаментальные физические константы: постоянная тяготения G, постоянная Планка h (или ħ = h/2π), скорость света с, постоянная слабого взаимодействия g_w . Значения этих констант зависят от выбранной системы единиц измерения. Наряду с ними используются безразмерные константы четырех физических взаимодействий:

 

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

В романе «Черное облако» известный английский астрофизик Ф. Хойл 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? Соответственно изменится размер атомов, а значит, и размер окружающих нас тел. Но если изменения массы электрона невелики, то и размер тел должен измениться незначительно. Вот вроде и все! Или, что будет, если изменить значение постоянной 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 вариации 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 примеров.

Начнем с «соотношения больших чисел», которое связывает константы макро- и микромира. Одно из соотношений такого рода связывает постоянную Хаббла Н₀ с атомными константами. Обратная величина постоянной Хаббла 1/Н₀ имеет размерность времени, по порядку величины она равна 10¹⁸ с. Рассмотрим комбинацию атомных констант, имеющих ту же размерность: ħ / α_gm_ес² . Подставляя значение констант, можно убедиться, что эта комбинация по порядку величины также равна 10¹⁸ с. Таким образом, имеем:

В этом выражении слева стоит обратная величина постоянной Хаббла, которая характеризует свойства Вселенной в целом; справа — комбинация атомных констант. Конечно, это равенство приближенное, оно удовлетворяется только по 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 t_H , которое определяет современный возраст Вселенной. А величина, стоящая справа в выражении (3.1), как следует из теории внутреннего строения звезд, определяет время t_s жизни звезды на главной последовательности[175]. Значит, выражение (3.1) сводится к равенству: t_H ≈ t_s . В обираемой Вселенной такое соотношение с необходимостью должно выполняться. Действительно, если t_H < t_s , то к моменту t_H (современный возраст Вселенной) в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если же t_H > t_s то к этому моменту все ядерное горючее уже выгорит, ядсриые реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут поставлял. энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие t_H ~ t_s , а значит, и соотношение (3.1) является необходимым для жизни.

Итак, это соотношение (как и выше рассмотренное соотношение ρ = ρ_кр) связано с современным возрастом Вселенной. Оно накладывает определенное ограничение на положение человека (наблюдателя) во временной шкале: человек, познающий Вселенную, может 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 под 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 не могли бы существовать никакие химические элементы, кроме водорода. В нем отсутствовала бы химическая форма движения материи и не могла бы существовать жизнь известного нам тина.

Обратимся теперь к массам элементарных частиц. Масса электрона, выраженная в энергетических единицах, составляет 0,5 МэВ. Масса прогона и нейтрона порядка 10³ МэВ. При этом масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона. Эта разница масс Δm на 0,8 МэВ превышает массу электрона m_е , или, иными словами, сумма масс покоя электрона и протона на 0,8 МэВ меньше массы нейтрона. Это очень важное обстоятельство, оно объясняет, почему электрон в атоме водорода не вступает во взаимодействие с протоном, образуя нейтрон р + ē → n + ν. Для подобной реакции не хватает энергии. Ведь необходимо, чтобы суммарная энергия протона и электрона равнялась суммарной энергии образующихся нейтрона и нейтрино. На ускорителях, когда электрон и прогон сталкиваются с большими скоростями, эта реакция протекает весьма эффективно. Но в обычных условиях, в атоме водорода, поскольку суммарная масса покоя протона и электрона меньше массы нейтрона (но говоря уже об энергии выделяющегося нейтрино), эта реакция идти не может. Если бы масса электрона была, например, втрое больше, составляя 1,5 МэВ, то реакция могла бы идти. В том случае атом водорода не мог бы существовать, он разрушился бы примерно через 30 часов после образования. То же самое будет иметь место, если, не меняя массу электрона, изменить массу протона или нейтрона так, чтобы разность их масс Δm уменьшилась на 0,8 МэВ. Поскольку масса протона и нейтрона порядка 10³ МэВ, то достаточно ничтожного изменения масс этих частиц, на величину - 0,1 %, для того чтобы реакция стала возможной. Таким образом, 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 протона и нейтрона во Вселенной не может существовать и водород. А следовательно, и все остальные химические элементы, ибо все они образуются из водорода. Конечно, в такой Вселенной не могла бы существовать и жизнь.