Удивительная Вселенная

А вот свободный нейтрон в среднем живет всего четверть часа, давая начало протону, электрону и антинейтрино. Внутриядерные нуклоны могут существовать до скончания времен, но могут также превращаться друг в друга и жить не более долей секунды, все зависит от их окружения (бета-распад).

Свободный нейтрон не мог бы давать начало протону, если бы не был несколько массивней, это следует из закона сохранения энергии. Разница очень невелика, всего 0,14%. Если бы природа урезала массу нейтронов всего на 0,2%, последствия были бы печальны: протоны в одиночном состоянии превращались бы в нейтроны, позитроны и нейтрино. Поэтому во Вселенной не могли бы зажечься звезды, которые на первом этапе своего существования питаются энергией термоядерного синтеза гелия из водорода. Но это не единственная неприятность: возникающие позитроны аннигилировали бы с электронами, рождая жесткое гамма-излучение. Космическое пространство оказалось бы заполненным изолированными нейтронами, нейтрино, гамма-квантами и, возможно, небольшим числом стабильных легких ядер, скорее всего, дейтериевых и гелиевых. Такой мир никак не мог бы стать колыбелью жизни.

Если бы нейтроны были чуть-чуть массивней, чем в действительности (на доли процента), они стали бы превращаться в протоны даже внутри тех ядер, которые в нашем мире стабильны. Такие ядра разрывались бы электрическими силами и давали начало множеству свободных протонов. Присоединяя электроны, они давали бы начало водородным атомам. В этом чисто водородном мире не было бы места химии, а следовательно, и жизни.

Но и это не все. Превышение нейтронной массы над протонной примерно втрое больше массы электрона. Если бы оно было меньше этой массы, то электроны могли бы спонтанно сливаться с протонами, превращая их в нейтроны. Сейчас такие переходы случаются только при исполинских давлениях, возникающих при гравитационном коллапсе массивных звезд (именно так рождаются нейтронные звезды). А вот если бы это условие выполнялось и в юности мироздания, протонам было бы энергетически выгодно уже тогда глотать электроны. При таком раскладе вновь бы получился скучный нейтронный мир.

Таким образом, законы физики упрятали все возможности рождения звезд и галактик, почти всех химических элементов, появившихся в звездных недрах, и, конечно, планет в крайне узкую разницу между нуклонными массами. Случайно ли природа удержалась на этом лезвии бритвы?

Энергия вакуума

Подобных примеров множество. Если бы гравитация была всего в миллион раз сильнее, это никак бы не сказалось на свойствах атомов и молекул. Но звезда солнечного типа в таком мире существовала бы всего 10 тысяч лет – слишком мало для возникновения жизни. А мир со слишком слабой гравитацией разлетелся бы после Большого взрыва настолько быстро, что вещество просто не успело бы стянуться в плотные газовые облака, дающие начало звездам.

Процесс рождения углерода в звездных топках очень сильно зависит от величины постоянной тонкой структуры, определяющей интенсивность электромагнитного взаимодействия. Если бы эта константа отличалась от своего значения (почти точно 1/137) на 15% в ту или иную сторону, ни одна звезда в мире не смогла бы нара-ботать и килограмма углерода (согласно некоторым расчетам, хватило бы даже отклонения в 2%). А без углерода не было бы и жизни, во всяком случае, в нашем понимании.

Последний пример сверхтонкой настройки физических констант выглядит особенно эффектно. С точки зрения квантовой механики вакуум – это не пустота, а генератор элементарных частиц, которые на сверхкороткие мгновения рождаются из квантовых флуктуаций и тут же переходят в небытие. В нашем макроскопическом мире эти эфемерные виртуальные частицы почти ничем себя не проявляют, хотя их существование подтверждается рядом экспериментов. Однако виртуальные электроны, фотоны, кварки, нейтрино в краткие моменты своего существования обладают определенной энергией. Сумма всех этих энергий и создает энергию физического вакуума. Математический аппарат квантовой теории поля позволяет вычислить эту сумму и обнаружить, что она равна бесконечности – явная бессмыслица.

Физики решают эту проблему, вводя в расчеты верхний предел энергии отдельных виртуальных частиц. Дело в том, что очень энергичные частицы, виртуальные или обычные, при столкновении дают начало черным дырам. Такие процессы существующие физические теории вообще не описывают (тут они просто теряют применимость). Поэтому ученые договорились обрезать энергии виртуальных частиц на «чернодырном» рубеже. После этой операции энергия вакуума получается хотя и конечной, но гигантской величиной: вакуумная энергия одних только виртуальных фотонов 10116 Дж/см3! Прочие виртуальные частицы дают сходные вклады.

Правда, имеется некая тонкость. Виртуальные частицы, как и обычные, бывают двух видов – бозоны (например, фотоны) и фермионы (скажем, электроны). Бозоны дают положительный вклад в энергию вакуума, а вот фермионы – отрицательный. Быть может, все эти вклады взаимно гасят друг друга и в результате получается что-то разумное?

Точное совпадение

Тут-то и зарыта собака. В конце прошлого десятилетия было доказано, что наша Вселенная расширяется с увеличивающейся скоростью. Если бы динамика этого расширения определялась одной только силой тяготения, его темпы постепенно снижались бы, это следует из общей теории относительности. А значит, в космических масштабах действует не только гравитация, но и антигравитация. Именно такой эффект и должен оказывать физический вакуум с положительной плотностью энергии. Собранные астрономами данные показывают, что удельная энергия вакуума (ее еще называют космологической константой) не превышает 0,0001 Дж/см3. Это в 10120 раз меньше абсолютной величины каждого ее слагаемого.

Почему же столь гигантские числа разных знаков при суммировании так ювелирно компенсируют друг друга? Будь плотность вакуумной энергии нулевой, можно было бы предположить, что за это отвечает какая-то закономерность, действующая в микромире. Кандидат имеется: если бы у каждого бозона имелся партнер-фермион, а у фермиона – бозон, то вклады разных знаков в энергию вакуума погашались бы идеально точно. Однако такая связь между фермионами и бозонами (суперсимметря) в нашем мире не обнаружена. Кроме того, вакуумная энергия хоть и мала, но все же отлична от нуля.

Антропный принцип

Все вышеперечисленное хорошо известно специалистам уже несколько десятилетий. До недавнего времени никто не придавал этому особого значения. Однако в 1970 году 28-летний кембриджский астрофизик Брандон Картер (сейчас он работает в Лаборатории Вселенной и теорий Вселенной Медонской обсерватории) пришел к заключению, что столь благоприятное для нас сочетание целого ряда независимых друг от друга физических констант может означать нечто большее, чем простую игру случая, – оно делает возможным образование сложных структур самых разных масштабов, от галактических скоплений до бактерий и вирусов. Картер предположил, что само существование человечества свидетельствует о том, что законы нашей Вселенной благоприятствуют такому исходу. Он впервые сформулировал эту мысль в 1970 году в так и не опубликованной рукописи, а тремя годами позже доложил на симпозиуме, посвященном 500-летию Коперника.

Картер назвал свою идею антропным принципом (от греческого «антропос», человек). Оригинальная формулировка такова: «Ожидаемые результаты наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования в качестве наблюдателей». Это означает, что законы природы в каком-то смысле специально выбраны так, чтобы допустить наше существование.

Хотя Картер был уже ученым с международной репутацией, заслуженной теоретическим анализом черных дыр, большинство астрономов и космологов сочли его взгляды антинаучной ахинеей. Однако Картер убедил в своей правоте друга и коллегу по университету Мартина Риса, великолепного астрофизика, сейчас королевского астронома Британии. Рис стал усиленно пропагандировать антропный принцип как в специальных работах, так и в популярных публикациях (предпочитая формулировку «антропное мышление» слову «принцип»). В немалой степени благодаря его усилиям «антропные» идеи постепенно стали завоевывать признание, хотя отнюдь не всеобщее (не случайно в литературе сейчас можно найти свыше трех десятков формулировок антропного принципа). Двадцать лет назад их поддержал Стивен Вайнберг, один из крупнейших физиков-теоретиков двадцатого столетия.

Мультимегавселенная

Антропный принцип может показаться если не тавтологией, то трюизмом. Конечно, законы Вселенной допускают возникновение разумной жизни, в противном случае они остались бы неоткрытыми. Но это очень плоское прочтение. На самом деле он указывает на возможность существования целого ансамбля Вселенных с различными физическими законами. Можно предположить, что почти все эти миры пусты и мертвы, поскольку там законы физики не сложились в нужной комбинации. А вот в нашем мире карты выпали благоприятно для возникновения разумной жизни, которая в конце концов умудрилась дойти и до антропного мышления! Мартин Рис предложил называть гипотетическую коллекцию миров Мультивселенной (Multiverse); другие ученые предпочитают термин Мегавселенная (Megaverse).

В 1980 году американский физик Алан Гут предложил принципиально новую модель возникновения Вселенной, получившую название инфляционной. Первая работа Гута содержала существенные недоделки, которые потом исправили другие ученые. По ходу дела они выяснили, что инфляционные сценарии неизбежно приводят к возникновению Мультивселенной. «Инфляция – сверхбыстрое расширение Вселенной в самом начале ее существования. Оно возникает из-за того, что вакуум в этот момент находится в состоянии с очень большой положительной плотностью энергии, неизмеримо превышающей ее минимальное значение. Вакуум с наименьшей плотностью энергии называется истинным, с более высокой – ложным, рассказывает «ПМ» один из участников этой интеллектуальной драмы Алекс Виленкин, директор Института космологии при университете Тафтса. – Любой положительный вакуум действует как антигравитация, то есть заставляет пространство расширяться. Ложный вакуум с экстремально высокой плотностью энергии к тому же и крайне нестабилен, он быстро распадается, а его энергия идет на образование радиации и частиц, нагретых до чрезвычайно высоких температур. Этот вакуумный распад и есть то, что называют Большим взрывом. Он оставляет за собой обычное пространство, заполненное гравитирующей материей, которое расширяется с умеренной скоростью».

Одна из многих

«А самое главное: инфляция – не одноактная драма с бурным началом и быстрым концом. Она продолжается до бесконечности. В разных участках пространства возникают локальные зоны инфляционного расширения ложного вакуума, которое иногда заканчивается взрывным рождением материи. Мы как раз живем в области, оставшейся после одного из таких локальных Больших взрывов. Это и есть наша Вселенная, другие нам недоступны, – объясняет Виленкин. – Вечная инфляция рождает множество не тождественных друг другу миров и в конечном счете производит миры абсолютно со всеми ложными вакуумами, вероятность появления которых не равна нулю. Таким образом, все возможные значения основных физических величин где-нибудь и когда-нибудь обязательно появятся. Резюмируя, можно сказать, что инфляция оказывается тем горнилом, в котором рождается не часть физически допустимых миров, но все они – без единого исключения».

Струнный набор

Инфляционная космология диктует рождение разных вакуумов, но не определяет их конкретных свойств – или, точнее, не устанавливает для них правил отбора. Эту задачу решает другая фундаментальная физическая концепция – теория суперструн (статью «Струнный концерт для Вселенной» можно прочесть в «ПМ» № 3’2006, а также на сайте журнала). Из теории струн вытекает, что энергии вакуумов обладают дискретным спектром и что количество этих вакуумов в принципе поддается подсчету.

«Космологическая инфляция рождает те и только те вакуумы, которые разрешены теорией суперструн. Статистические соображения позволяют ожидать, что среди этих вакуумов должны найтись и такие, где вакуумная энергия – ее также называют космологической постоянной – попадает в нужное нам окно, – говорит «ПМ» Леонард Сасскинд, один из физиков, придумавших в 1970 году первый вариант теории струн, ныне профессор Стэнфордского университета. – Их доля совершенно ничтожна, однако их абсолютное число отнюдь не мало. К ним относится и вакуум нашего мира. Объединение инфляционных идей со струнными приводит к поистине революционным результатам. Оно показывает, что в непостижимо гигантском космосе существует множество изолированных друг от друга миров с различными космологическими константами и физическими законами. Это именно то, что требуется для обоснования антропного принципа». Таким образом, антропное мышление приводит к идее множественности различных Вселенных, а инфляционная космология вкупе с теорией струн ставят эту идею на прочный физический фундамент.

Люди тысячелетиями считали Землю центром мира, однако Николай Коперник покончил с этой иллюзией. В середине прошлого столетия ученые уже твердо знали, что наше Солнце – это всего лишь рядовая звезда типичной галактики. А теперь оказывается, что и наша Вселенная – лишь одна из многих. Коперникианская революция продолжается.

Хорошо забытое старое

Идеи, подобные антропному принципу, не новы. В 1903 году к этой мысли очень близко подошел замечательный английский биолог и географ Альфред Рассел Уоллес, тот самый, который независимо от Дарвина выдвинул теорию естественного отбора. Сходную гипотезу, точнее, ее частный случай в 1961 году высказал американский физик Роберт Дике. Рассуждал он примерно так. Жизнь земного типа невозможна без тяжелых элементов, например железа. Такие элементы рождаются в ядрах массивных звезд и рассеиваются по космосу, когда те взрываются сверхновыми. Этот процесс сам по себе требует нескольких миллиардов лет. Затем из космических газопылевых облаков, уже содержащих тяжелые элементы, должны возникнуть звезды второго поколения (к ним относится и наше Солнце) с планетными системами, пригодными для возникновения и устойчивого развития жизни. Дело это не быстрое, счет опять-таки идет на миллиарды лет. Таким образом, можно предположить, что первые «наблюдатели» вряд ли могли появиться ранее, чем через 8–10 млрд. лет после Большого взрыва. Примерно столько же живут и звезды солнечного типа (не столь массивные звезды держатся значительно дольше, но они куда менее стабильны, и потому их планетные системы вряд ли могут становиться колыбелями разумной жизни). Запасы свободного галактического водорода, пригодного для образования звезд следующего поколения, истощаются в таком же масштабе времени. Для существования наблюдателей возникает довольно узкое окно – от десяти до двадцати миллиардов лет после Большого взрыва. Стандартная оценка возраста нашей Вселенной – 13,7 млрд. лет – как раз вписывается в эти пределы.

«Единственная разумная возможность решения загадки вакуумной энергии возникает в теории суперструн. Она оценивает число долгоживущих (метастабильных) состояний вакуума как минимум в 10500. Каждое такое состояние имеет собственную плотность вакуумной энергии. Эту совокупность вакуумов я называю космическим ландшафтом». Леонард Сасскинд

«Может показаться, что все локальные Большие взрывы оставляют после себя один и тот же истинный вакуум, но это, скорее всего, неверно. Куда вероятней, что послевзрывные вакуумы тоже ложны, только они живут неизмеримо дольше исходного, поскольку обладают меньшими энергиями. Однако они отличаются друг от друга, а потому дают начало различным законам природы». Алекс Виленкин