Текст книги "Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла"

Автор книги: Игорь Новиков

Соавторы: Александр Шаров
сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 15 страниц)

Только после открытия реликтового излучения начиная с 1966 г. были опубликованы работы И. С. Шкловского, Дж. Филда, Дж. Хитчкока, П. Тадеуша и Дж. Вольфа, в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, наблюдавшееся в спектре ζ Змееносца и других звезд, вызвано реликтовым излучением. Таким образом, еще в 1941 г. было обнаружено, хоть и косвенное проявление реликтового излучения.

Но и это еще далеко не конец истории.

Вернемся к проблеме технической возможности открытия реликтового излучения. Возникает вопрос: когда техника уже позволяла это сделать? С. Вайнберг пишет: «Трудно ответить точно, но мои коллеги-экспериментаторы говорят мне, что наблюдения могли быть проведены задолго до 1965 г., возможно, в середине пятидесятых,. а может быть даже и в середине сороковых годов». Так ли это?

В середине пятидесятых годов молодой ученый Т. А. Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Вилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда не было еще столь чувствительных приемников, которые были потом у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 г. в его кандидатской диссертации и в советском журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений Шмаонова и велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, мы понимаем теперь, что он измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни сам Шмаонов, ни его руководители, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.

Таково сложное переплетение событий, завершившееся открытием горячей Вселенной Пензиасом и Вилсоном в 1965 г. Установление факта сверхвысокой температуры в начале расширения Вселенной явилось отправной точкой важнейших исследований, ведущих к, раскрытию тайн не только астрофизических, но и тайн строения материи. В развитие различных аспектов современной космологии выдающийся вклад внесли научные школы, созданные С. Вайнбергом, В. Л. Гинзбургом, Я. Б. Зельдовичем, А. Л. Зельмановым, М. А. Марковым, И. М. Халатниковым, С. Хокингом и другими.

О новейших открытиях в этой области говорится, в заключительной главе книги.

Взрыв

 Открытие расширяющейся Вселенной Хабблом поставило перед естествознанием вопрос огромной мировоззренческой значимости: как Вселенная взорвалась?

Теория Фридмана описывает, как под действием сил тяготения происходит это расширение. Галактики удаляются друг от друга, двигаясь по инерции, а силы взаимного тяготения постепенно тормозят их движение и замедляют расширение Вселенной.

Но теория не отвечает на вопрос, почему расширение началось. Откуда в веществе, из которого потом образовались галактики, взялись начальные скорости расширения?

Обнаружение реликтового излучения показало, что в самом начале Вселенная была горячей, давление вещества, которое тогда распределялось в пространстве почти однородно, было огромным.

На первый взгляд большое давление крайне важно. Вспомним картину взрыва какого-либо заряда, когда в малом объеме выделяется энергия. Это может быть, например, химическая энергия или ядерная. Вещество заряда сильно нагревается и испаряется. Давление нагретых газов вызывает его стремительное расширение. Когда мы обращаемся к началу расширения Вселенной, невольно перед глазами предстает только что описанная картина. Не являются ли большие температура и давление причиной начала расширения? Нет, такое заключение неправильно. Между двумя описанными явлениями имеется существенное различие. При взрыве заряда есть перепад давлений – огромное давление внутри горячих газов и сравнительно малое атмосферное давление снаружи (если взрыв происходит в воздухе). Этот перепад и создает силу, расшвыривающую вещество. Именно перепад давлений создает силу, а не само высокое давление. Ведь если бы снаружи взрывающихся газов давление было такое же, что и внутри, то, очевидно, никакого разлета вещества не было бы. Кроме того, плотность расширяющегося горячего газа при взрыве неоднородна: максимальна в центре и спадает к краям. В ходе разлета перепад давлений, связанный с перепадом плотности и температуры, создает силу, подталкивающую разлетающийся газ.

Ничего подобного нет в начале расширения Вселенной. Ее вещество до образования небесных тел было однородно, никаких перепадов плотности и давления не было. Поэтому не возникало силы, которая могла бы служить причиной начала расширения. Следовательно, большое давление горячего газа не есть причина начала расширения Вселенной.

Что же послужило «первотолчком», давшим начальные скорости веществу? Для того, чтобы восстановить процессы, происходившие в самом начале расширения,. необходимо найти в сегодняшней Вселенной следы этих наиболее «древних» процессов.

Оказывается, такими. «следами» являются фундаментальные свойства сегодняшней Вселенной. Без специального объяснения происхождения этих свойств во время взрыва Вселенной они представляются загадочными.

Первая из таких загадок – однородность Вселенной в больших масштабах. Наблюдения показывают, что на расстояниях больше сотен мегапарсек скопления галактик распределены в пространстве однородно. Правда, для больших расстояний выводы делать трудно из-за сложности наблюдения далеких слабых объектов. Подобные наблюдения еще ничего не говорят впрямую и о распределении «скрытой массы» – невидимых (несветящихся} форм вещества. Тем не менее вывод о крупномасштабной однородности Вселенной и для видимого, и (что особенно важно) невидимого вещества вполне надежен. Как он получен?

Инструментом исследования послужило реликтовое излучение.

Сегодня Вселенная совсем прозрачна для этого излучения, но в прошлом было не так. Когда температура превышала 4000 К, все вещество представляло собой ионизованную плазму (отдельных небесных тел тогда еще не было), непрозрачную для реликтового излучения. Превращение плазмы в нейтральное вещество произошла спустя 300 тыс. лет после начала расширения и, начиная с этой эпохи, подавляющее большинство реликтовых фотонов движется по прямой, уже не взаимодействуя о нейтральными атомами. Поэтому, когда мы наблюдаем реликтовое излучение, мы заглядываем в прошлое – в ту далекую эпоху, которая называется эпохой рекомбинации, поскольку тогда происходил захват электронов атомными ядрами и образовывалось нейтральное вещество. За время, прошедшее с эпохи рекомбинации, излучение успевает преодолеть около 15 млрд. световых лет. Это максимальное расстояние, которое свет пройдет в расширяющейся Вселенной, даже если он вышел в самом начале расширения, т. е. 15 млрд. лет назад. Поэтому такое расстояние называют расстоянием до горизонта видимости. Таким образом, с помощью реликтового излучения мы «просматриваем» практически всю доступную наблюдениям область Вселенной.

Чем же реликтовое излучение может помочь в решении вопроса, насколько однородна Вселенная? Дело в том, что это излучение несет информацию о свойствах Вселенной в точках, разнесенных очень далеко в пространстве. И эти свойства оказываются до удивления одинаковыми. Так, измерения на искусственном спутнике «Реликт», выполненные в Институте космических исследований АН СССР, показали, что интенсивность реликтового излучения, приходящего к нам из диаметрально противоположных точек на небе, одинакова с точностью по крайней мере до сотых долей процента. Поскольку каждый такой луч идет к нам практически от горизонта, то значит, точки, из которых вышло реликтовое излучение, разнесены сегодня на 30 млрд. световых лет. А излучение свидетельствует, что свойства этих областей совершенно одинаковы.

Но, что, собственно, удивительного в том, что в очень больших масштабах Вселенная однородна? Удивительно это по следующей причине. Световой сигнал, вышедший из одной из точек даже 15 млрд. лет назад, не успеет пройти расстояние 30 млрд. световых лет. Быстрее света ничто не может двигаться. Значит, никакой сигнал не успеет пройти от одной точки до другой, отстоящей от первой на 30 млрд. световых лет. Нет никаких причин для выравнивания или «согласования» условий в этих точках, раз они не успели с начала расширения Вселенной даже обменяться сигналами. И тем не менее условия в них одинаковы. Почему?

Это и есть первая загадка, которую должна решить теория. Она получила название «проблемы горизонта».

Перейдем теперь ко второму фундаментальному свойству Вселенной, которое также нуждается в объяснении. Мы уже говорили, что расширение Вселенной тормозится силами тяготения. Эти силы, определяющие энергию тяготения, зависят от средней плотности вещества во Вселенной. В то же время скорости удаления галактик друг от друга определяют кинетическую энергию расширения. Если бы в самом начале энергия тяготения заметно превышала начальную кинетическую энергию разлета, то расширение давно прекратилось бы и Вселенная сжалась.

С другой стороны, если бы кинетическая энергия в начале была заметно больше, то галактики сегодня разлетались бы по инерции совсем не тормозясь тяготением. То значение плотности вещества, при котором обе энергии уравновешиваются, называется критическим. Наблюдения показывают, что в первые мгновения расширения плотность была чрезвычайно близка к критическому значению. Рассмотрим для примера момент времени в прошлом, очень близкий к началу расширения, когда, согласно современной теории единое физическое взаимодействие, определяющее все процессы в веществе, распалось и сильное ядерное взаимодействие стало играть самостоятельную роль. Этот момент называют эпохой «Великого объединения», он отстоит от начала расширения всего на 10 ^-33с. Согласно данным наблюдений о скорости расширения и средней плотности вещества сегодня, и по расчетам по модели Фридмана, в эпоху «Великого объединения» отличие плотности от критической составляло менее 10 ^-50доли от значения самой плотности!

Таким образом, в самом начале расширения плотность вещества во Вселенной была удивительно близка к критической. Но почему? Почему силу взрыва, которая определила скорость расширения, природа подобрала такой, что критическая плотность с величайшей точностью совпала с реальной плотностью вещества?

Это и составляет вторую загадку Вселенной, называемую иногда «проблемой критической плотности».

Следующая проблема: почему, несмотря на удивительную однородность Вселенной в очень больших масштабах, в меньших масштабах все же были отклонения от однородности – небольшие первичные флуктуации? Именно эти небольшие сгущения потом под действием сил тяготения уплотнялись и образовали, уже в эпоху, близкую к нашей, галактики и их скопления.

Наконец, существует еще одна проблема. Она связана с предсказываемыми современной теорией особыми частицами, такими, например, как магнитные монополи. Эти своеобразные частицы возникли во Вселенной в эпоху «Великого объединения». Их должно было возникнуть тогда необычайно много. Правда, в ходе последующей эволюции часть монополей и их античастиц – антимонополей проаннигилируют друг с другом. Но, как показали расчеты Я.Б. Зельдовича и М.К. Хлопова, в сегодняшней Вселенной монополей должно остаться очень много – примерно столько же, сколько обычных частиц – протонов. Но ведь монополи в 10 ¹⁶раз массивнее протонов. Это значит, что плотность вещества в виде монополей в сегодняшней Вселенной была бы в 10 ¹⁶(!) раз больше, чем плотность обычного видимого вещества. Такого, конечно, не может быть. Следовательно, в сегодняшней Вселенной монополей практически нет. Куда же они делись?

Эта загадка получила название «проблемы монополей».

Перечисленные загадки связаны с теми процессами, которые происходили в самом начале расширения Вселенной, т. е. в них в зашифрованном виде хранится тайна начала. Оставалось подобрать ключ к шифру.

Мы изложим гипотезы, которые по современным представлениям описывают начало Большого взрыва. Ключ к пониманию «первотолчка» лежит в возникновении особого, так называемого вакуумноподобного состояния вещества, которое может возникать при очень большой плотности. В современной физике под большой плотностью понимается плотность, близкая к величине, определяемой тремя фундаментальными постоянными: G – постоянной тяготения, h – постоянной Планка и c – скоростью света:

Огромность этой величины трудно вообразить. Плотность получила название планковской. Согласно теории, при плотностях близких к планковской, в веществе могут возникать особые состояния, характеризуемые сильнейшими натяжениями, или, что то же самое, отрицательными давлениями. Соотношение между плотностью ρ _*и давлением Р _*такого состояния имеет вид: Р _*= —ρ _*с ². Именно такие состояния получили название вакуумноподобных.

Происхождение названия связано со следующим. Если в сегодняшней Вселенной из какой-то области пространства удалить все реальные частицы и поля, то эта область все же не может считаться «абсолютной пустотой (вакуумом)». Дело в том, что в пустоте все время происходит рождение и уничтожение так называемых виртуальных пар – частиц и античастиц, происходят своеобразные «квантовые флуктуации вакуума»: Следствия этих процессов измеряются в тонких экспериментах.

Квантовые флуктуации вакуума не могут быть устранены. Возможным следствием этих процессов является наличие очень небольшой плотности вакуума ρ _ви отрицательного давления (физически это означает натяжение) P _в. При этом должно выполняться соотношение p _в= —ρ _в∙с ². Любое состояние вещества, в котором давление и плотность связаны таким соотношением, получило название вакуумноподобного. Особенностью вакуумноподобного состояния является то, что оно не меняется при расширении – плотность и давление его остаются постоянными.

Следующее важное обстоятельство связано с уточнением Эйнштейном закона всемирного тяготения Ньютона. Согласно Эйнштейну, в создании гравитационных ускорений участвует не только плотность массы ρ, но и давление Р (или натяжение). Вместо ρ _вформулу для вычисления тяготения входит сумма (ρ + 3P/c ²).

В обычных астрофизических условиях, например в звездах, второе слагаемое чрезвычайно мало. Но в случае вакуумноподобного состояния оно становится решающим. Подставляя в скобки P _*= —ρ _*с ²для этого случая, убеждаемся, что сумма в скобках становится отрицательной и гравитационное притяжение сменяется отталкиванием. Вот это отталкивание, имеющее не гидродинамический (как в случае перепада давлений), а чисто гравитационный характер, вероятно, и послужило тем «первотолчком», который привел к расширению Вселенной.

Любые две частицы в такой очень ранней Вселенной двигались с нарастающей скоростью друг от друга. При этом плотность вакуумноподобного состояния ρ _*, как уже говорилось, с расширением не уменьшалась, не уменьшалось и натяжение (отрицательное давление) Р _*и ускоряющая сила действовала постоянно [4]4
  Эта ускоряющая сила на другом языке описывается введением уже упоминавшегося Л-члена в уравнения Эйнштейна. Данное обстоятельство подчеркивалось Я. Б. Зельдовичем.


[Закрыть]. Легко показать, что при этом расстояния между частицами увеличиваются по экспоненциальному закону, т. е. чрезвычайно стремительно: R = R ₀∙ ехр(3∙10 ⁴³∙t _(с)). Этот процесс получил название инфляции (на английском – раздувание). Он, вероятно, продолжался с t ≈ 3∙10 ^-44с, когда плотность массы и частиц и вакуумноподобного состояния была около планковского значения ρ _п≈ 10 ⁹⁴г/см ³, до t ≈ 3∙10 ^-35с. К концу этого периода все частицы разлетелись на невообразимо большие расстояния – порядка 10 ^{4∙100000000}парсеков друг от друга. Для сравнения напомним, что размер всей видимой сегодня Вселенной «всего» примерно 10 ¹⁰парсеков! В той ранней Вселенной практически не было частиц, настолько они были редки, и температура практически не отличалась от -абсолютного нуля. Единственное, что осталось во Вселенной к концу раздувания, – это вакуумноподобное состояние. Но такое состояние неустойчиво и при t примерно равном 3∙10 ^-35с оно распалось на обычные частицы, движущиеся с ультрарелятивистскими скоростями. Температура во Вселенной в ходе распада вакуумноподобного состояния подскочила примерно до T ≈ 10 ²⁷К. Вселенная стала горячей! Это был конец инфляции – вакуумноподобное состояние исчезло. Дальнейшее расширение Вселенной протекало с замедлением, вследствие взаимного тяготения частиц обычного вещества. Последующая судьба расширяющегося горячего вещества описана в предыдущем разделе.

 Предположение о том, что огромные отрицательные давления, а значит, и гравитационное отталкивание могут возникать при очень больших плотностях вещества, было сделано в конце 60-х годов Э. Б. Глинером. В 1972 г. Д. А. Киржниц и А. Д. Линде показали, что подобное состояние может естественно возникать в расширяющейся Вселенной с понижением температуры и плотности от очень больших значений. Несколько позже эти первые идеи были развиты применительно к космологии в работах Э. Б. Глинера, Л. Э, Гуревича, И. Г. Дымниковой, а затем, с использованием новейших достижений физики высоких энергий – А. Гусом, А. Альбрехтом, П. Стейнхартом в США, а у нас в стране – А. Д. Линде, А. А. Старобинским и многими другими.

Раздувание Вселенной и есть тот ключ, с помощью которого разрешаются загадки ее фундаментальных свойств.

Начнем с первой – проблемы горизонта. Она состоит в том, что достаточно удаленные друг от друга точки не успевают даже к сегодняшнему дню обменяться световыми сигналами, и одна точка не может «знать» об условиях в другой. Поэтому непонятно, почему же температуры и другие физические параметры в этих точках одинаковы, о чем свидетельствуют наблюдения. Объяснение состоит в следующем. Удаленные сегодня точки не успевают обменяться сигналами только во Вселенной без эпохи экспоненциального раздувания, т. е. бее инфляции в самом начале. Раздувание невероятно увеличивает расстояние между любыми точками. Поэтому точки, сегодня далекие, в начале инфляции находились совсем рядом, внутри области с размерами 10 ^-33см, т. е. практически совпадали и могли многократно обмениваться сигналами. А так как они разлетались практически из одной «точки», нет ничего удивительного, что условия в них одинаковы.

Вторая загадка – почему плотность вещества во Вселенной сегодня не очень сильно отличается от критической, а в прошлом вообще была чрезвычайно близка к критическому значению, практически совпадая с ним в самом начале расширения.

Инфляция решает эту проблему следующим образом. Ускорение, создаваемое гравитационным отталкиванием, сообщает расширяющемуся веществу кинетическую энергию, как раз равную энергии гравитации. Когда в конце стадии раздувания вакуумноподобное состояние распадается и превращается в обычное вещество, плотность ρ _*переходит в обычную плотность вещества ρ; не удивительно, что энергии гравитации и разлета оказываются сбалансированными и плотность – равной критической плотности.

Третья загадка – откуда взялись небольшие первичные флуктуации плотности в веществе, из которых потом, после их роста, возникли галактики и их системы. Дело в том, что распад вакуумноподобного состояния – квантовый процесс, подверженный случайным флуктуациям, типичным для такого рода процессов, как например, радиоактивный распад. В одних местах по случайным причинам распад вакуумноподобного состояния прошел чуть раньше, чем в других, и поэтому чуть раньше вызвал здесь переход к горячей Вселенной. Это приведет, как показывают расчеты, к небольшим флуктуациям плотности возникшего горячего вещества. Большой вклад в решение этой проблемы внесли С. Хокинг (Великобритания) и А. Д. Линде, В. Н. Лукаш, В. М. Муханов, А. А. Старобинский, Г. С. Чибисов в нашей стране.

Наконец, четвертая проблема – проблема монополей. Решение ее с помощью инфляции очевидно. Монополи возникают во Вселенной в самом начале инфляции, когда температура еще очень высока. После этого в ходе раздувания Вселенной монополи будут разбросаны друг от друга на гигантские расстояния. Они оказываются настолько редкими, что встретить их во Вселенной становится практически невозможно.

Такова схема явлений, которые, вероятно, происходили при огромных плотностях вещества и огромных энергиях, приведших к «первотолчку» и затем после длинной цепочки событий – к наблюдаемой сегодня Вселенной. А что было еще раньше?

Ответить па этот вопрос совсем непросто и не только потому, что специалисты очень мало знают о процессах при планковских плотностях и энергиях. Трудности связаны с тем, что в этих экстремальных условиях, полностью меняются фундаментальные черты таких всеобщих категорий существования материи, как пространство и время.

Вероятно, планковские плотности – максимально возможные в природе. При этих плотностях пространство и время разбивается на «кванты», характеризуемые длительностью t _*≈ 3∙10 ^-44с или пространственной протяженностью r _*≈ t∙c ≈ 10 ^-33см. В таких масштабах происходят бурные «флуктуации» вакуума, и промежутки времени, меньшие t _*, бессмысленны. Такое состояние материи называют сингулярным. Все свойства Вселенной, которые мы наблюдаем сегодня, по существу возникли в сингулярном состоянии. В связи с этим возникает еще один вопрос.

Эйнштейн однажды сказал: «Что меня действительно глубоко интересует, так это – мог ли бог создать мир иным?» Великий физик часто словом «бог» называл природу, поэтому мы должны понимать это высказывание, как вопрос о том, могла ли окружающая нас Вселенная быть устроена иначе. Подобные вопросы раньше было «не принято задавать», а теперь это область исследования современной физики и астрономии.

Проблему можно сформулировать следующим образом. Что было бы, если бы законы физики были иные? Например, что произойдет, если изменить заряд электрона (и протона) в несколько раз или, скажем, изменить массу электрона? Вероятный ответ может быть таким. От величины заряда зависит сила притяжения между протоном и электроном, от массы электрона зависят особенности его движения в связанных состояниях в атомах. Значит, указанные изменения приведут к тому, что изменится размер атомов, а, значит, и размер окружающих нас тел. Если изменения свойств электрона будут небольшими, то и окружающие предметы тоже изменятся не сильно.

Аналогичный ответ следует, на первый взгляд, ожидать и на вопрос о том, что произойдет, если изменить значение постоянной тяготения G. При этом, очевидно, изменится сила тяготения для тех же масс. От этой силы зависит темп эволюции небесных тел, их размеры. Значит, изменятся и они. И опять, если изменения постоянной тяготения будут не очень большие, то и вариации свойств небесных тел также окажутся малыми.

Казалось бы, подобные ответы ожидаются и на вопросы об изменении других физических констант. Общий ожидаемый ответ, по-видимому, состоит в том, что мысленный опыт по сравнительно небольшому изменению физических констант сопровождался бы соответствующим небольшим количественным изменением в окружающем мире. Качественных же глубоких изменений во Вселенной при таких вариациях констант произойти не должно.

Анализ показывает, что это заключение оказывается совершенно неверным.

Для примера можно рассмотреть простейший атом водорода. Этот атом может существовать неограниченно долго, если его не подвергать внешним воздействиям. Электрон и протон в нейтральном атоме не вступают в реакцию с образованием нейтрона и нейтрино, несмотря на то, что есть отличная от нуля вероятность для электрона находиться в месте расположения протона. Однако, подобная реакция происходит при столкновении электронов с большой энергией с протонами. Невозможность реакции в нейтральном атоме обусловлена недостатком энергии. Сумма масс покоя электрона и протона меньше, чем масса нейтрона. Недостаток составляет E ≈ 0,8 МэВ. Если вообразить, что масса электрона m _eравна не 0,5 МэВ, а превышает разность масс нейтрона и протона Δm =1,3 МэВ, то реакция образования нейтрона станет возможной. Например, если бы масса электрона те была бы равна 2 МэВ, то нейтральный атом водорода просуществовал бы всего 30 часов. Таким образом, для длительного существования атома водорода необходимо, чтобы выполнялось неравенство m _e< Δm. При неизменности массы электрона, но при уменьшении Δm до значений меньших те, получается тот же результат. Следует специально подчеркнуть, что требуемое уменьшение Δm для возможности реакции образования нейтрона в атоме водорода (всего требуется уменьшить Δm на 0,8 МэВ) совершенно ничтожно по сравнению с полной массой протона или нейтрона, которые порядка 1000 МэВ. Изменение массы этих частиц примерно на 10 ^-3их величины привело бы к катастрофическим последствиям – к отсутствию водорода в сегодняшней Вселенной. Но это означает отсутствие главного ядерного топлива для звезд. При ничтожной вариации массы элементарных частиц во Вселенной не было бы звезд главной последовательности, не было бы химических соединений, содержащих водород и жизнь в такой Вселенной, по-видимому, была бы невозможной.

Следовательно, малые вариации рассмотренных параметров ведут не к малым изменениям свойств небесных тел, а к качественным изменениям свойств Вселенной.

Приведенный пример не исключение, а скорее правило.

Для подтверждения этого рассмотрим свойства тяжелого водорода – дейтерия. В атомном ядре этого элемента (дейтоне) энергия связи частиц составляет E _св= 2,2 МэВ. Тот факт, что эта энергия E _свбольше, чем E = 0,8 МэВ, обусловливает стабильность дейтона. Нейтрону в ядре «энергетически невыгодно» распасться на протон, электрон и антинейтрино с разрушением дейтона. Следовательно, для стабильности дейтерия обязательно условие E _св> E, что можно переписать в виде Δm < E _св+ m _е. К чему привело бы нарушение этого неравенства и, следовательно, нестабильность дейтерия? Несмотря на то, что дейтерия в природе очень мало (примерно одна стотысячная доля по массе от всего вещества), он играет очень важную роль. Дейтон является первым сложным атомным ядром в цепочке ядерных реакций, ведущих к образованию более тяжелых ядер. Такие реакции происходили и в самом начале расширения Вселенной, они происходят и сегодня в недрах звезд, в процессах, превращающих водород в гелий. Если бы дейтерия не было, то обычный путь образования элементов тяжелее водорода стал бы невозможен. А это снова привело бы к кардинальным качественным изменениям во Вселенной. Таким образом, для «стабильности свойств Вселенной» должны одновременно выполняться неравенства: m _e< Δm < E _св+ m _e, что является довольно «тонкой настройкой» фундаментальных физических величин.

Продолжая эту линию аргументов, можно добавить следующий факт. Постоянная сильного взаимодействия такова, что ядерные силы достаточны, чтобы удержать протоны и нейтроны в сложных атомных ядрах. Если бы эта постоянная была несколько меньше, то ядерные силы оказались недостаточны для устойчивого существования всех сложных атомных ядер. Это означает, что в природе не были бы возможны химические элементы тяжелее водорода. Не были бы возможны ни соответствующие ядерные процессы в звездах, ни химические формы движения материи и, по всей вероятности, невозможна была бы и жизнь.

Наконец, рассмотрим еще одно следствие, связанное на этот раз с воображаемым изменением постоянной тяготения.

Известно, что в звездах с массой близкой к массе Солнца и меньше, значительные толщи их поверхностных слоев испытывают конвективное перемешивание. В то же время более массивные звезды после образования не имеют поверхностных конвективных слоев. Существует гипотеза, что образование планетных систем, происходящее совместно с образованием звезд, может успешно осуществляться только у таких звезд, которые после образования сохранили поверхностную конвекцию. Анализ показал, что если бы постоянная тяготения оказалась заметно больше, чем это есть на самом деле, то все звезды после образования не имели бы поверхностных конвективных слоев, а значит не имели бы, вероятно, и планетных систем. По-видимому, жизнь в такой вселенной была бы невозможна. Хотя в данном случае аргументация основывается на ряде гипотез, тем не менее вывод тоже впечатляющ.

Мы не станем приводить дальнейших примеров и только заметим, что внимательный анализ показывает следующее. Изменение некоторых постоянных может привести к невозможности вообще образоваться галактикам, звездам или даже элементарным частицам! А это означает невозможность появления сколько-нибудь сложной структуры во Вселенной.

Таким образом, относительно небольшие вариации фундаментальных констант ведут не просто к небольшим количественным изменениям, а к кардинальным качественным изменениям в природе. В этом смысле наша Вселенная оказалась весьма неустойчивой по отношению к подобным изменениям в законах физики.

Возникает вопрос – какой смысл в подобных рассуждениях? «Кто» или «что» может варьировать законы физики, ведь мы знаем реальные значения фундаментальных постоянных и, используя эти значения, должны вести рассмотрение всех процессов в природе. Ведь нет же в действительности какой-то «другой» физики и нет «других» вселенных?

Прежде чем рассматривать попытки ответа на эти вопросы, обратим внимание на следующие удивительные факты, относящиеся к «нашей» физике и «нашей» Вселенной. Условия, которые мы перечисляли выше, и другие необходимые для существования сложных структур, выглядят порой весьма странно.

В самом деле, обратимся к первому условию, записанному в виде неравенства m _e< Δm. Согласно этому неравенству, масса электрона должна быть мала и не просто мала, а меньше 1,3 МэВ. Посмотрим теперь на список масс элементарных частиц. Электрон – наилегчайшая частица из имеющих массу покоя. Она в две тысячи раз легче протона и в двести раз легче следующей по массе частицы – мюона. Обращает на себя внимание, что электрон не просто легче всех других частиц, но и существенно легче. Так, почти все остальные «обычные» элементарные частицы по массе не слишком сильно отличаются друг от друга и имеют массу порядка 1 ГэВ. Электрон явно резко выделяется в меньшую сторону на этом фоне. На все эти факты обратил специальное внимание И. Л. Розенталь.

Очень малая масса электрона выглядит как некая крупная флуктуация. Если бы этой флуктуации не было и электрон был бы, например, всего в несколько раз легче мюона, то неравенство me < Δm не выполнялось бы со всеми вытекающими отсюда катастрофическими последствиями.