Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 67)

Итак, для существования атома водорода необходимо выполнение условия Δm > m_е . Если бы нам пришлось конструировать Вселенную, мы должны были бы считаться с этим условием. Казалось бы, удовлетворить ему не очень сложно: надо выбрать массу протона и нейтрона так, чтобы их разность (Δm = m_n — m_p) была больше массы электрона m_е . Но, с другой стороны, нельзя допустить, чтобы величина Δm была слишком большой, ибо в этом случае мы столкнемся с проблемой дейтерия.

Ядро дейтерия (тяжелого водорода) состоит из прогона и нейтрона, которые удерживаются ядерными силами. Энергия связи частиц в ядре дейтерия составляет ε_св = 2,2 МэВ. Ядерные силы препятствуют распаду нейтрона и делают ядро дейтерия стабильным. В свободном состоянии нейтрон легко распадается на протон и электрон с испусканием антинейтрино: п → р + ē + ν. Разность масс нейтрона и протона идет на образование электрона, а оставшаяся масса превращается в энергию Е движения образующихся частиц: Е = m — m_е = 0,8 МэВ. Поскольку внутри ядра дейтерия энергия связи превышает энергию движения образующихся частиц, то нейтрон не может распасться, и ядро останется стабильным. Условие стабильности ядра:

ε_св > Е = Δm — m_е , или Δm < ε_св + т_е .

Если это условие нарушается, то дейтерий не может существовать. Существенно ли это для жизни? Хотя дейтерий — очень редкий элемент, его полное отсутствие имело бы катастрофические последствия для Вселенной. Действительно, образование ядра дейтерия (дейтона) является первым звеном в цепочке ядерных реакций, ведущих от водорода к более тяжелым элементам. Если бы не было дейтерия, не было бы и этих элементов. Мы снова пришли к безжизненной чисто водородной Вселенной.

Два последних примера иллюстрируют еще одно важное обстоятельство: исключительно «тонкую настройку Вселенной» для жизни. Действительно, для существования водорода необходимо, чтобы выполнялось условие Δm > m_е , д ля стабильности дейтерия необходимо условие Δm < ε_св + m_е . Для того чтобы во Вселенной могла существовать жизнь, надо, чтобы выполнялись оба эти условия одновременно, т. е. Δm должно быть заключено в очень узких пределах:

m_е < Δm < ε_св + m_е

или

0,5 МэВ < Δm < 2,7 МэВ.

Разность масс протона и нейтрона удовлетворяет приведенному условию. Но насколько «узки» эти ворота? Протон и нейтрон — две частицы с очень близкими свойствами, они отличаются лишь зарядом и небольшой разностью масс. Существуют и другие семейства похожих между собой частиц, они получили название изотопических мультиплетов. Так вот, если взять разность масс Ет для частиц, входящих в изотопические мультиплеты, то для всех семейств она существенно больше, чем для протона и нейтрона и, что весьма существенно, больше предельного значения 2,7 МэВ. На это обратил внимание И. Л. Розенталь. Для протона и нейтрона величина Δm минимальна, это своего рода флуктуация в распределении Δm для различных мультиплетов. Любопытно, что в Природе осуществилась эта редкая флуктуация! Но если бы этого не произошло, жизнь во Вселенной была бы невозможна.

Еще более впечатляющий пример связан с массой электрона. Если мы возьмем массы всех элементарных частиц, то окажется, что большинство частиц имеет массу чуть больше массы протона. Имеется некоторое количество частиц с массами в 10 раз больше и в 10 раз меньше массы протона. Электрон — самая легкая из заряженных элементарных частиц, он почти в 2000 раз легче протона. Ближайшая к электрону по массе частица мюон имеет массу в 200 раз больше электрона. Значит, электрон не просто наилегчайшая частиц, он существенно легче всех остальных частиц. Это очень редкая флуктуация! И опять-таки если бы эта флуктуация не реализовалась в Природе, то нарушилось бы необходимое условие жизни: m_е < Δm. И. Л. Розенталь приводит и другие примеры[176].

Основной вывод, который следует из этого анализа, состоит в следующем: во Вселенной реализовался очень редкий набор фундаментальных констант, представляющий собой редкую флуктуацию их возможных значений. Причем структура Вселенной оказалась крайне чувствительна к числовым значениям этих постоянных: она сохраняется только в очень узких пределах их изменения. Достаточно значению каких-либо из постоянных выйти за эти пределы, как структура Вселенной претерпевает радикальные изменения: в ней становится невозможным существование одного или нескольких основных структурных элементов — атомных ядер, самих атомов, планет, звезд или галактик. Во всех этих случаях во Вселенной не может существовать и жизнь. Это означает, что в любой обитаемой вселенной (мыслимой или реально существующей) фундаментальные физические константы не могут иметь иные значения, кроме тех, которые известны нам из опыта. Развитие этих идей привело к формулировке космологического антропного принципа.

3.5. Антропный принцип

Почему же все проявляется в той, а не в другой форме, почему существуют те, а не другие законы природы? Ведь возможны и другие...

3.5.1. Становление антропного принципа.

Антропный принцип (АП) устанавливает соотношение между фундаментальными свойствами Вселенной в целом и существованием в ней жизни и человека, или в более общей трактовке — между существованием наблюдателя и наблюдаемыми свойствами Вселенной. Уже на первом этапе формирования АП (Г. М. Идлис, А. Л. Зельманов, 1950-1960-е годы) были сформулированы две главные относящиеся к нему идеи:

1) основные черты наблюдаемой Вселенной являются необходимыми для возникновения и развития жизни и 2) это объясняется тем, что мы наблюдаем не произвольную область Вселенной, а ту, в которой существует познающий эту Вселенную субъект (наблюдатель) и в которой реализовались необходимые для его существования условия. Или: мы являемся свидетелями наблюдаемых свойств Вселенной, потому что при других ее свойствах развитие Вселенной протекало бы без свидетелей (А. Л. Зельманов). В 1973 г. Б. Каргер сформулировал это положение в виде следующего принципа, который он назвал антропологическим:

«...то, что мы можем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования»[177].

Следует подчеркнуть, что антропный принцип был выдвинут вне всякой связи с проблемой существования разумной жизни или исследованием места человека во Вселенной. Космологов и физиков-теоретиков интересовали совсем другие проблемы: почему мир устроен так, а не иначе? Почему Вселенная такова, как мы ее наблюдаем? Пока космология делала первые шаги, задавать такие вопросы было не принято: считалось, что это относится к области метафизики. Космологию интересовал вопрос, как устроен мир. Что же касается того, почему он устроен так, а не иначе — этот вопрос выходил за пределы космологии. Если же на него приходилось все таки отвечать, то ссылались на действия законов природы. Объяснение в таком случае сводилось к следующему. Существуют определенные объективные законы природы, в том числе физические законы, известные нам из опыта. Решая уравнения, описывающие эти законы, и подставляя значения фундаментальных констант (известные также из опыта), мы получаем космологические модели развития Вселенной в целом, теории образования и эволюции галактик, звезд и т. д., т. е. теории, описывающие наблюдаемые свойства Вселенной. Значит, эти свойства и объясняются действием законов природы. В течение определенного времени, на определенном уровне развития космологии, такое объяснение считалось удовлетворительным. (Хотя наиболее проницательные мыслители, такие как К. Э. Циолковский и А. Эйнштейн, не удовлетворялись подобным объяснением и стремились к более глубокому постижению «Причины Мира».) На следующем уровне развития космологии с неизбежностью возникли вопросы: почему имеют месть именно такие законы природы, и почему физические константы имеют такие, а не какие-то иные значения? Попытка ответить на эти вопросы и привела к формулировке антропного принципа[178].

3.5.2. Ансамбль миров.

Что объясняет и чего не объясняет антропный принцип. Используя антропный принцип, мы можем теоретически (до наблюдения) предсказать, какими свойствами должна обладать обитаемая Вселенная. Например, какова должна быть средняя плотность во Вселенной, ее масса (в случае закрытой модели), какова должна быть размерность пространства и числовые значения фундаментальных констант. Однако задача, как мы помним, состояла в том, чтобы попять, почему Вселенная обладает наблюдаемыми свойствами. Попытка перейти от предсказания к объяснению привела к развитию концепции ансамбля вселенных.

Ансамбль вселенных характеризуется всеми мыслимыми комбинациями начальных и граничных условий, всеми мыслимыми комбинациями фундаментальных констант. В каждой вселенной этого ансамбля реализуется определенный набор параметров. Существование наблюдателя возможно не при всех, а только при некоторых комбинациях параметров, которые определяют совокупность необходимых и достаточных условий для жизни. Эти параметры выделяют в ансамбле миров «познаваемое» подмножество. Можно назвать его также подмножеством обитаемых вселенных, а каждую вселенную этого подмножества — обитаемой. Очевидно, наша Вселенная принадлежит к этому подмножеству.