Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках

Скажем сразу, что современная физика здесь бессильна. Мы можем говорить сейчас лишь о том, что было бы с Вселенной, если изменить численные значения физических констант. Это очень увлекательная проблема, и существенный вклад в ее решение внес советский физик И. Розенталь. Следуя сейчас, в частности, его идеям, можно обсудить возможный облик ансамбля вселенных с различными значениями физических «постоянных». Основная мысль здесь состоит в том, что даже небольшие их изменения приведут к радикальной перестройке структуры и свойств Вселенной.

Операция варьирования фундаментальных констант может показаться сначала и бессмысленной и неправомочной. Ведь недаром они называются фундаментальными, неизменными. Но… поскольку, с одной стороны, мы подошли к понятию ансамбля вселенных, а с другой стороны — сегодня нам неизвестно, в силу каких причин константы физики имеют именно те значения, которые они имеют, подобная операция выглядит достаточно логично.

Лишь в том случае, если в любой из возможных вселенных в силу каких-то пока неизвестных причин физические константы такие же, как и в нашем мире, ситуация становится тривиальной: в мегамире есть ансамбль одинаковых миров.

Разумеется, слово «тривиальной» использовано здесь в физическом смысле. С философских позиций реализация подобного случая не менее, а быть может, и более интересна, чем ансамбль вселенных с различными физическими константами. Вернемся, однако, непосредственно к предмету нашего обсуждения. Рассмотрим сначала, как будет выглядеть Вселенная, в которой масса электрона будет несколько больше, чем сейчас в нашей Вселенной.

Атом водорода в нашей Вселенной абсолютно стабилен. Он мог бы быть неустойчив при очень высоких температурах ~ 10¹⁰ K, когда энергетически разрешена реакция.

p + e^– -> n + 

А при низких температурах эта реакция строго запрещена. Действительно, нейтрон тяжелей протона. В энергетических единицах (вспомним, что E = mc²) m_n – m_p ~ 1,3 МЭВ, а m_e ~ 0,5 МЭВ. Мы видим, что масса электрона существенно меньше, чем разница масс нейтрона и протона. Поэтому указанная выше реакция коллапса атома водорода запрещена. Для того чтобы она «пошла», массу электрона нужно увеличить примерно в три раза.

С помощью квантовомеханических расчетов можно оценить время жизни нового атома водорода с более тяжелым электроном. В случае троекратного увеличения массы электрона время жизни модифицированного водорода будет всего около месяца; если увеличить массу электрона в 4 раза, то новый атом будет жить и того меньше — сутки.

Если мы вспомним, что в нашей Вселенной было 70 процентов водорода и 30 гелия, то сразу видно, что дело плохо. В такой Вселенной невозможна жизнь, поскольку в ней не было бы ни одного атома водорода, ни одной водородсодержащей молекулы. Все звезды и галактики в этой Вселенной состояли бы из одних нейтронов.

Вселенная без водорода получится также и в том случае, если слегка (на проценты) увеличить степень сильного взаимодействия. Тогда оказывается возможным существование стабильного ядра гелия-2:

p + p -> ²He + 

Реакция проходила бы очень быстро, и водород выгорел бы в первые же минуты существования Вселенной. Опять мы получили бы Вселенную без водорода, а значит, и без жизни.

Вариации слабых взаимодействий также коренным образом повлияют на структуру мира. Если мы увеличим константу слабого взаимодействия всего в 10 раз, то время жизни нейтрона станет порядка 10 секунд вместо 10 минут в нашей Вселенной. Но 10 секунд — время весьма малое по сравнению с эпохой космического нуклеосинтеза, а в отсутствие нейтронов нуклеосинтез (образование элементов) просто не мог бы идти. В этом случае мы бы имели Вселенную почти без нейтронов, состоящую только из водорода, — довольно однообразная картина.

Вариации других физических постоянных также сильно искажают облик мира, как и в тех коротких примерах, которые мы сейчас рассмотрели. Константы в этих примерах менялись независимо друг от друга, индивидуально. А что, если попробовать изменить набор констант согласованно? В упоминавшемся уже докладе И. Новикова и других была поставлена именно такая задача. Оказалось, что есть два «острова устойчивости» для существования сложных стабильных структур, но один из них находится в планковской области, где масса каждого объекта порядка планковской массы. В таких вселенных жизнь вряд ли возможна. Наша Вселенная попадает в другую область устойчивости.

Вывод этой работы состоит в том, что могут быть вселенные с слегка другим набором констант, но тем не менее существования жизни в них исключить нельзя. Разумеется, о формах жизни в других вселенных можно строить сейчас лишь совершенно беспочвенные предположения.

Неортодоксальные взгляды

В заключение мне кажется необходимым вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные позиции потому так и названы, что они не находятся в русле генерального направления современной космологии. Но наука тем и хороша, что к ней более, чем к любой другой отрасли человеческой деятельности, применимо выражение: «В спорах рождается истина». А споры по поводу происхождения, эволюции и структуры Вселенной происходят и по сей день.

Форма дискуссий не всегда имеет парламентский характер. Год назад в солидном научном журнале появилась статья X. Альвена — непререкаемого авторитета в области физики плазмы. Название статьи очень симптоматично: «Космология: миф или наука?» Альвену нельзя отказать в том, что он очень четко использует некоторые слабости стандартной модели, в том числе проблемы сингулярности и горизонта. Большинство современных космологов, согласных с моделью Большого Взрыва, он называет «верующими фанатиками» или «верующими Большого Взрыва».

Одно из основных положений, которое защищает Альвен, состоит в том, что Вселенная существенно неоднородна по своей структуре, она имеет клеточное строение. Одна клетка от другой отделяется плазменными стенками, во Вселенной в равных количествах присутствует материя и антиматерия. Вселенная вечна и бесконечна. Альвен делает и более радикальное предположение, отказываясь от ОТО и считая, что мир может быть вполне объяснен в терминах ньютоновской механики.

С идеями Альвена перекликается и космологическая модель Р. Омнеса, который также «предпочитает» зарядово-симметричную Вселенную. Проделав соответствующие теоретические оценки, Омнес сделал вывод об отталкивании нуклонов и антинуклонов при температуре порядка нескольких тысяч миллиардов градусов. При этой температуре горячее вещество превращается в эмульсию, смесь капель вещества и антивещества. Далее, с понижением температуры происходит их разделение в астрономических масштабах. Теория Омнеса вызывает возражения, которые основываются главным образом на наблюдательных астрономических данных. В то же время эта теория, как отмечает Я. Зельдович, «красива», а это, как мы уже говорили, один из важных критериев правильности.

Не один Альвен является приверженцем вечной и безграничной Вселенной. Крупные астрофизики Г. Голд, Г. Бонди и Ф. Хойл (один из наиболее известных астрофизиков XX века и автор ряда научно-фантастических романов) еще в 1948 году выдвинули модель так называемого «стационарного состояния». Эта модель описывает вечно расширяющуюся, безграничную Вселенную. Плотность ее имеет, как это следует из самого названия модели, постоянную величину. Как это может быть, если Вселенная расширяется? Ведь плотность вещества должна в этом случае падать.