Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Фред Хойл – 1915–2001 – Британский астроном, внесший большой вклад в представления об эволюции звезд. Первым употребил термин «Большой взрыв», хотя сам придерживался альтернативной – стационарной – модели Вселенной.

Резонанс – это очень простая штука, которую мы постоянно наблюдаем и используем. Например, качаясь на качелях, нужно вовремя подгибать и разгибать ноги. Вовремя – значит, нужно попасть в такт. Попадание в такт и есть резонанс. Если вы правильно дозируете свои усилия, увеличивается амплитуда колебаний. Если такой резонансный уровень имеется у ядер углерода, если энергия трех ядер подбирается правильным образом и попадает в резонансные пики, то реакция идет хорошо. Если же нет, то она идет плохо. Оказалось, что в случае производства углерода без резонанса не обойтись.

Но это еще не вся история. Следующая реакция – это переработка углерода и гелия в кислород – она уже не резонансная. Оказалось, что резонанс у кислорода на десятые доли процента отличается от суммарной энергии углерода и гелия. Если бы эта реакция была резонансной, то перегорел бы весь углерод. В природе не было бы углерода, а были кислород и более тяжелые элементы. Возможно, была бы кремниевая жизнь. Но наша жизнь углеродная – тоже поразительный факт. Вновь все решило тонкое соотношение чисел.

Другая проблема, к решению которой можно подойти с точки зрения антропного принципа, связана с так называемой космологической постоянной. Те, кто интересуется или посматривает на странички интернета, связанные с физикой, возможно, слышали о темной энергии и космологической постоянной. Проблема состоит в следующем. В обычной ньютоновской механике энергию можно отсчитывать от любого уровня: от уровня моря, от стола, от пола – от чего угодно, важна только разность энергий. Это справедливо для всех физических теорий, кроме единственной: теории гравитации Эйнштейна. Из знаменитой формулы E = mc^2 следует, что энергия есть масса, способная притягивать другую массу, и это притяжение зависит не от разности энергий, а от их абсолютного значения. А значит, очень важно, от какого уровня мы будем отсчитывать энергию во Вселенной. У вакуума – состояния с наименьшей энергией – совсем не обязательно будет энергия, равная нулю. Эта энергия вакуума называется космологической постоянной и обозначается буквой . Она вносит вклад в общую плотность энергии во Вселенной, а от значения этой плотности зависит, будет ли Вселенная расширяться бесконечно или, наоборот, схлопнется в точку.

Космологическая постоянная могла бы быть равна нулю – это было бы красиво. Такое значение космологической постоянной можно было бы объяснить некоторой (пока еще неизвестной) симметрией. Однако если предположить, что нет механизмов, обращающих в ноль космологическую постоянную, то простая размерная оценка показывает, что в этом случае ее наиболее «естественное» значение на 120 порядков (на единицу со ста двадцатью нулями!) превосходит плотность материи [13] во Вселенной. Будь космологическая постоянная на самом деле такой, Вселенная мгновенно раздулась бы до гигантских размеров. Настолько гигантских, что плотность вещества стала бы меньше одного нуклона на всю видимую часть Вселенной. Ясно, что ни о какой жизни в такой Вселенной не может идти и речи.

13

Плотность материи во Вселенной – фундаментальная величина, от которой зависит геометрия пространства и конечность либо бесконечность Вселенной. При критической плотности пространство евклидово, а Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Космологические наблюдения показывают, что сумма плотности вещества, темной материи и темной энергии (энергии вакуума, о которой говорит автор) составляют величину, равную или очень близкую к критической плотности.

В 1987 году нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, исходя из антропного принципа, а именно опираясь на факт существования галактик, показал, что если космологическая постоянная отлична от нуля, то она не может сильно превышать плотность материи во Вселенной. В противном случае галактики просто не смогли бы образоваться, не было бы звезд и не было бы космологов.

Стивен Вайнберг – род. 1933 – Американский физик, лауреат Нобелевской премии (вместе с Шелдоном Ли Глэшоу и Абдусом Саламом) за создание объединенной теории электрослабого взаимодействия. На русском языке изданы научно-популярные книги Вайнберга «Первые три минуты» и «Мечты об окончательной теории».

В 1998 году, наблюдая за сверхновыми типа Ia, две группы астрофизиков независимо друг от друга открыли, что наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется ускоренно. В дальнейшем этот факт был подтвержден другими независимыми наблюдениями, и в 2011 году это открытие было отмечено Нобелевской премией. Почему так важен этот факт, что ученые, обнаружившие его, были удостоены такой высокой награды? Дело в том, что любая «обычная» материя (и темная, и барионная, способная взаимодействовать со светом) не может привести к ускоренному расширению Вселенной. Расширение если и будет, то замедленным. Только субстанция с необычными свойствами (отрицательным давлением, а давление в теории гравитации тоже весит) может привести к ускорению. Такую субстанцию называют темной энергией (не путать с темной материей – веществом, не взаимодействующим со светом и, следовательно, невидимым для нас). Частным случаем темной энергии является космологическая постоянная. Частным, потому что в общем случае темная энергия может быть динамической, то есть зависеть от времени. В настоящее время нет никаких достоверных свидетельств, что темная энергия является динамической, а все имеющиеся наблюдательные данные прекрасно отражаются в рамках модели CDM – модели, описывающей эволюцию Вселенной, в которой роль темной энергии играет космологическая постоянная. (Аббревиатура CDM означает Cold Dark Matter – «холодная темная материя» – еще одна компонента, дающая вклад в полную плотность энергии во Вселенной и необходимая для правильного описания эволюции последней). Кроме того, из наблюдательных данных удалось извлечь значение космологической постоянной: оно оказалось в три раза больше плотности энергии вещества и близко к значению, предсказанному Вайнбергом! При этом суммарная плотность энергии такова, что наше пространство остается плоским и евклидовым, оно не сжимается в точку и не расширяется слишком быстро. Мы видим, что и здесь тоже налицо тонкая настройка параметров, делающая мир вполне пригодным для нашего с вами проживания.

«По всей видимости, жизнь вообще не смогла бы организоваться и существовать при числе измерений, отличном от трех, и нам с нашими тремя измерениями повезло».

Максим Либанов

Разные миры

Слабый антропный принцип допускает (и предполагает) существование либо разных частей с разными константами в нашей Вселенной, либо существование разных вселенных. На самом деле это напоминает то, что предлагал Джордано Бруно: множественность миров. Хотя Бруно и говорил о планетах, современным физикам планет мало, они говорят о вселенных. Можно спросить, где эти вселенные, но лучше спросить, где и когда эти вселенные. Один из вариантов такой: Вселенная циклически сжимается и расширяется, чуть-чуть меняя свои параметры в каждом цикле. Рано или поздно она приходит в такой цикл, где параметры подбираются такими, какими мы их видим, – такими, которые допускают появление нас с вами. Соответственно, мы появляемся и описываем увиденное нами в созданных нами теориях.

Другой вариант множественности миров – то, что называется вселенными Эверетта. Это чисто квантово-механический эффект, эффект наблюдателя. В квантово-механической картине мира физический закон предсказывает не точный исход процесса, а лишь вероятность разных исходов. Лишь в момент наблюдения природа «выбирает», в какой точке пространства мы увидим электрон или в какой момент времени зафиксируем распад нейтрона. В 1957 году Хью Эверетт предположил, что в момент наблюдения (то есть фактически в каждый момент времени) история Вселенной расщепляется на множество вариантов, соответствующих каждому из возможных результатов наблюдения. А значит, буквально «рядом» существует другой мир, где мы все делаем чуть-чуть по-другому, причем таких миров бесконечно много.

Хью Эверетт – 1930–1982 – Американский физик, автор «многомировой» интерпретации квантовой механики (1957). После защиты докторской диссертации оставил физику, не встретив поддержки коллег.

Третий вариант множественных миров связан с теорией инфляции [14] . В ее основе – очень хорошо согласующаяся с наблюдениями идея, что на начальном этапе эволюции наша Вселенная претерпела очень быстрое расширение. Произойти это могло из-за того, что на самом элементарном уровне наше пространство динамично, оно постоянно меняется за счет квантовых осцилляций. На расстояниях порядка планковской длины пространство схлопывается, образуется и снова схлопывается. Образуется так называемая пространственно-временная пена. Но иногда, с небольшой вероятностью, возникают очень большие флуктуации, больше планковской длины. Пузырек такого нового пространства вместо того чтобы схлопнуться, начинает раздуваться. Стадия быстрого раздувания называется инфляцией и происходит очень быстро, за 10–35 секунд. Из таких пузырей и образуются различные вселенные. Их может быть много, и в каждой из них могут быть свои законы.

14

Теория космической инфляции – научная гипотеза, снимающая некоторые трудноразрешимые космологические парадоксы, в том числе «проблему горизонта» и евклидовость нашего пространства. Предложена в 1981 г. американским физиком Аланом Гутом, усовершенствована физиками российского происхождения Андреем Линде и Алексеем Старобинским.

Что находится между этими вселенными? Ничего. Вообще ничего. Там нет пространства и даже нет времени. Инфляция происходит с самим пространством. Между вселенными – возможно, квантовая пена, о которой физика пока не может сказать ничего определенного, потому что там ничего нет, в том числе и физики.

Наконец, один из вариантов множественных миров предлагает теория струн, в которую прекрасно вписывается инфляция. Эта теория возникла для того, чтобы снять противоречия между квантовой механикой и теорией гравитации. Электроны, фотоны, гравитоны, весь зоопарк частиц – это колебания струны. В теории струн есть всего одна константа связи вместо тех, которые мы знаем (в настоящее время их чуть больше двадцати). Была (и остается) надежда, что из этой константы можно будет получить все остальные константы и они будут такие, как надо. Это была бы действительно фундаментальная теория, объясняющая все на свете.

Однако оказалось, что уравнения этой теории приобретают смысл лишь в том случае, если число измерений пространства-времени – не четыре, а десять. Почему мы видим лишь три пространственных измерения и одно временное? Потому что лишние измерения «свернуты» в многомерные поверхности ничтожно малого размера, подобно тому как свернуто в кольцо одно из измерений (поперечное) на двумерной поверхности шланга. От того, как именно устроены эти поверхности, зависят конкретные предсказания теории о нашей Вселенной.