Текст книги "Вселенная, жизнь, разум"

Автор книги: Иосиф Шкловский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

Развитие современной космологии, основывающейся на теории относительности и подтвержденной наблюдениями реликтового излучения, устранило фотометрический парадокс. Решающим обстоятельством является наличие красного смещения в спектрах галактик. Благодаря этому явлению кванты света – фотоны, излученные очень далекими галактиками и дошедшие до нас, как бы «деградируют» или «тощают»: соответствующие им длины волн становятся все больше и больше, а энергии уменьшаются. Излучение самых удаленных от нас частей Вселенной благодаря явлению красного смещения уходит в длинноволновую, невидимую область спектра, и его интенсивность сильно падает. Можно сказать, что красное смещение как бы «срезает» излучение далеких областей Вселенной, тем самым устраняя фотометрический парадокс.

Необходимо подчеркнуть, что явление красного смещения, вызванного расширением, разлетом галактик, благоприятствует возникновению и развитию жизни в тех или иных уголках Вселенной. Если бы Вселенная не расширялась и была бы бесконечной, температура в ней была бы настолько высокой, что даже простейшие молекулярные соединения вряд ли могли образоваться. Конечно, нарисованная в этой главе картина развития и эволюции Вселенной является самой общей и по мере развития науки должна конкретизироваться и уточняться. Не исключено, разумеется, что отдельные важные детали этой картины претерпят существенное изменение. Но основной вывод, к которому подводит нас развитие космологии и астрофизики во второй половине XX столетия, вряд ли будет поколеблен: в истории развития Вселенной, рассматриваемой как целое, были (и, вероятно, будут) эпохи, весьма затрудняющие, если не исключающие, возникновение и развитие жизни. Жизнь есть закономерный этап развития материи во Вселенной. Тем более это относится к разумной жизни.

После того как современная астрофизика восстановила далекое прошлое Вселенной и были освещены все этапы ее удивительного развития, начиная от сверхгорячего и сверхплотного состояния, имеет смысл обсудить ее будущее развитие. В самом деле, более чем уместно поставить вопрос: а как будет выглядеть Вселенная в далеком будущем? Мы уже знаем, что в далеком прошлом она качественно отличалась от современного своего состояния. Можно ли ожидать качественного отличия состояния будущей Вселенной от современного?

Для ответа на этот вопрос надо прежде всего знать, замкнута Вселенная или, напротив, открыта. Другими словами, будет ли Вселенная сколь угодно долго расширяться («открытая» модель Вселенной) или когда-нибудь ее расширение сменится сжатием. (Характер поведения Вселенной вполне аналогичен поведению камня, брошенного вверх в поле земного тяготения. Если его первоначальная скорость достаточно велика, он преодолеет тяготение и будет все время удаляться от Земли (аналог «открытой» модели). Если же скорость недостаточна, тяготение остановит его и он упадет обратно (аналог «закрытой» модели)). Выше мы уже подчеркивали, что окончательный выбор между этими двумя моделями сделать пока нельзя. Это будет возможно тогда, когда с полной надежностью будет определена средняя («размазанная») плотность вещества во Вселенной.

Заметим, что размазанная плотность галактик в несколько десятков раз меньше критической. Существует, однако, косвенный метод определения средней плотности вещества во Вселенной. Выше мы заметили, что дейтерий во Вселенной мог образоваться только в первые минуты после Большого Взрыва, когда плотность и температура были достаточно велики. Зная количество дейтерия в межзвездной среде (в 50000 раз меньше, чем водорода) и тогдашнюю температуру Вселенной, можно найти ее плотность. Этот метод дает значение плотности в сотню раз меньшую, чем критическая. В настоящее время это один из главных аргументов в пользу открытой модели.

Сравнительно просто предсказать будущее Вселенной для «закрытой» модели. Уж если Вселенная начнет сжиматься, то этот процесс ничто не остановит и она, в конце концов, пройдя через компактную, сверхплотную горячую фазу, сожмется в точку. В этом случае Вселенная как бы повторит историю «в обратном порядке». Весь цикл «расширение → остановка → сжатие» должен занять время порядка 100 миллиардов лет. Так как со времени начала расширения прошло «только» 15–20 миллиардов лет, то мы (в случае «закрытой» модели) находились бы в начале цикла. Начнет ли Вселенная после своего сжатия в точку новый цикл расширения? Будут ли новые циклы полным подобием предыдущего (т. е. нашего, в котором мы живем)? Однозначных ответов на эти вопросы пока нет, хотя вряд ли можно ожидать тождества разных циклов. Например, при каждом новом цикле могут образовываться совершенно разные элементарные частицы, что, конечно, радикально отразится на характере его протекания.

В случае «открытой» модели, которой придерживается сейчас большинство космологов и специалистов по внегалактической астрономии, при своем неограниченном расширении Вселенная и материя, из которой она состоит, в невообразимо далеком будущем претерпят ряд качественных изменений. Необходимо подчеркнуть, что речь идет о чудовищно огромных интервалах времени, по сравнению с которыми 15–20 миллиардов лет, прошедших после первоначального взрыва Вселенной, кажутся мгновением. Что и говорить – в случае открытой модели «у нас в запасе вечность», хотя эту категорию постичь нашими жалкими чувствами, мягко выражаясь, затруднительно. В этой связи следует заметить, что как огромные, так и ничтожно малые величины, мы воспринимаем условно, всегда примеряя к ним свой весьма ограниченный жизненный опыт. Именно это мы имели в виду, когда в гл. 1 рассказывали о пространственных и временных масштабах Вселенной. Добавим к этому, что физики, занимающиеся элементарными частицами, ничтожный интервал времени 10–23 сек (время жизни самых нестабильных частиц, так называемых «резонансов») отождествляют со временем, за которое частица, движущаяся со скоростью c, пробегает отрезок, равный размеру ядра (10–13 см).

Вернемся, однако, к открытой модели Вселенной. Что ее ожидает в столь необозримо удаленном от нас будущем?

Прежде всего, через 1014 лет (что во много тысяч раз превышает возраст современной Вселенной) «остынут», исчерпав свое ядерное горючее, все карликовые звезды с массой, превышающей несколько сотых долей солнечной массы. Эти звезды превратятся в белые карлики, которые, остывая, станут холодными «черными» карликами с размерами порядка Земли и с очень большой плотностью. Несмотря на то, что взаимные случайные сближения звезд в галактиках будут происходить редко, через 1015 лет по этой причине практически все планеты будут оторваны от своих материнских звезд. По этой же причине (случайные сближения звезд) спустя ~ 1019 лет по крайней мере 90 % всех звезд покинут свои галактики, а центральные области последних сожмутся, образуя весьма массивные (М ≈ 109 МΘ) черные дыры. Итак, наступит эпоха, когда галактики прекратят свое существование (от них останутся только массивные черные дыры), а из звезд останутся только холодные белые карлики. При этом отдельные звезды будут участвовать в расширении Вселенной.

До этой эпохи разлетались только галактики, размеры которых сравнительно мало менялись, так что расстояния между звездами были такими же, как в нашу эпоху, т. е. несколько световых лет. Теперь же расстояния между соседними звездами будут в начале этой эпохи превышать много мегапарсек и дальше будут неограниченно расти. Расстояния между соседними звездами станут превосходить нынешние расстояния до квазаров, исчисляемые миллиардами парсек. Если учесть, что к тому времени все звезды будут белыми карликами весьма низкой светимости, то на воображаемом небосклоне какого-нибудь ничтожного такого карлика никаких светил ни в какой телескоп обнаружить будет нельзя. До чего же эти звезды будут изолированы – страшно даже представить. И какая там будет царить черная ночь…

Переходя к неизмеримо более удаленному будущему, мы должны учитывать качественно новые изменения в самой структуре материи. Прежде всего, нельзя исключить возможность того, что с материей могут произойти «крупные неприятности». Дело в том, что нельзя гарантировать стабильность протонов – основных «кирпичей», из которых построена вся материя. Существующие экспериментальные данные гарантируют, что период радиоактивного распада протона во всяком случае превышает 1030 лет. Но где гарантия, что протон останется стабильным в течение неизмеримо больших промежутков времени? Существуют, например, теории, согласно которым протоны самопроизвольно распадаются на Y-кванты и нейтрино за время ~ 1032 лет. Сейчас уже планируются эксперименты, имеющие целью обнаружить самопроизвольный распад протонов. Если эти эксперименты дадут положительный результат, то Вселенная через ~ 1032 лет будет представлять совокупность разлетающихся квантов и нейтрино с непрерывно убывающей (по мере расширения Вселенной) энергией. Хочется, однако, верить (сейчас речь может идти только о вере), что протон абсолютно стабильная частица и такой мало интересный финал нашей Вселенной не угрожает…

Имеется еще одна серьезная проблема: где гарантия того, что законы природы, действующие во Вселенной в современную эпоху, будут действовать в чудовищно отдаленном будущем? Гарантий, конечно, нет, но обнадеживающее обстоятельство все же имеется. Одним из удивительнейших открытий последних десятилетий является обнаружение естественного уранового реактора в Габоне (Западная Африка). По причине высокого уровня выделения нейтронов за последние пару миллиардов лет изотопный состав в окрестных минералах там сильно изменен. И вот оказывается, что из анализа относительного содержания изотопов самария следует, что в этих ядрах баланс электромагнитных и ядерных сил поддерживается на постоянном уровне по крайней мере миллиарды лет! Это и доказывает неизменность законов природы но крайней мере в течение миллиардов лет!

Итак, для дальнейшего анализа мы будем придерживаться гипотез об абсолютной стабильности протонов и неизменности законов природы. В таком случае следует считаться с тем, что через ~ 1065 лет любое твердое тело становится даже при абсолютном нуле жидким. Значит, все остывшие белые карлики, некогда бывшие звездами – «хорошими и разными», станут сферическими жидкими каплями! Еще через чудовищный промежуток времени ~ 101500(!) лет любое вещество становится радиоактивным. Дело в том, что за такие промежутки времени легкие ядра будут «сливаться» в более тяжелые, а тяжелые станут делиться. В результате этих процессов все жидкие капли – бывшие звезды – станут железными.

Но что произойдет с другой компонентой Вселенной – бывшими массивными звездами и ядрами галактик, ставшими черными дырами? Для дальнейшего анализа очень существен вывод, полученный несколько лет тому назад выдающимся английским теоретиком Хокингом. Он показал, что черные дыры отнюдь не являются «вечными образованиями» (как это считалось раньше). Через промежутки времени, пропорциональные кубам их масс, они «испаряются», излучая электромагнитные волны с длиной порядка размеров черной дыры. Например, черная дыра с массой, равной 10 солнечным массам (что близко к массе подозреваемой черной дыры Лебедь X-1) «испарится» через 1067 лет, излучая радиоволны длиной около 30 км. А сверхмассивная черная дыра (M ≈ 109 MΘ – бывшее ядро какой-нибудь галактики) испарится через 1091 лет, излучая сверхдлинные волны длиной порядка десяти астрономических единиц. Итак, все черные дыры – «звездные» и «ядерно-галактические» в конце концов превратятся в сверхдлинноволновое электромагнитное излучение. Останутся от Вселенной только плотные, жидкие, холодные железные капли. Но это еще не все! Оказывается, что когда истечет больше, чем 1010000000000000000000000000 (!!!) лет, эти железные капли превратятся либо в нейтронные звезды (которые потом превратятся в черные дыры), либо прямо в черные дыры. Последние же, практически мгновенно (всего за «какие-нибудь» 1067 лет), испарятся.

Итак, в открытой модели, при всех вариантах (даже если протон нестабилен!) в конечном итоге Вселенная превратится в совокупность разлетающихся сверхдлинноволновых квантов, а также нейтрино малых энергий. Остается только утешаться тем, что это будет, мягко выражаясь, ох, как не скоро! Имеется огромное количество проблем, неизмеримо более актуальных, от решения которых зависит будущее человечества и его отдельных представителей. Все же согласитесь, любопытно знать, что будет со Вселенной в необозримо далеком будущем. Такова уж природа человека…

В заключение этой главы остановимся на очень интересном и, по-видимому, важном вопросе о соотношениях между «мировыми константами» макро– и микромиров. Мы увидим, что для интересующей нас проблемы жизни во Вселенной эти соотношения играют решающую роль.

Из современной физики известно, что все закономерности мира управляются четырьмя типами взаимодействий: 1) электромагнитными, 2) гравитационными, 3) слабыми и 4) сильными. Первый тип взаимодействия определяет структуру атомов, а следовательно, описывает всю картину явлений в химии и физике (за исключением ядерных процессов). Он характеризуется «константой взаимодействия» – зарядом электрона e, связанной с известной безразмерной постоянной тонкой структуры

α = e 2 / ћc ≈ 1/137

(ћ = ћ / 2 π — постоянная Планка, c – скорость света).

Гравитационное взаимодействие достаточно массивных тел имеет решающее значение для планетной, галактической и метагалактической астрономии. Оно может характеризоваться своей константой взаимодействия – гравитационной постоянной G и связанной с ней безразмерной

αG = Gm2p / ћc ≈ 5 10–39.

Сильные взаимодействия доминируют в области атомных ядер и элементарных частиц, в то время как слабые описывают такие процессы, как β-радиоактивность. Для сильных и слабых взаимодействий также можно ввести свои константы взаимодействия, по смыслу аналогичные α. Они обозначаются как αG и αW и имеют определенные значения.

Несомненно, приведенная выше классификация взаимодействий отражает современный уровень физической науки. Вполне возможно, что в будущем (может быть, и недалеком) взаимодействия будут либо полностью объединены, либо их останется меньше. (Это означает, что между константами взаимодействия может быть какая-то связь.) Но это обстоятельство не должно уменьшить наше удивление тому факту, что между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то странная зависимость. Например,

Rb ≈ c t ≈ (α / αG) • α0 , где

Rb и t0 – радиус и возраст Вселенной,

α = ћ / mc2 = 0,53 10-8 см – радиус первой орбиты боровской модели водородного атома.

Другими словами, отношение радиуса Вселенной (Rb,≈ 1028 см, так как возраст Вселенной t0 ≈ 1010 лет = 3 1017 секунд) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами!

Для объяснения этого удивительного обстоятельства знаменитый английский физик Дирак еще в 1937 г. предложил гипотезу, что гравитационная постоянная G меняется обратно пропорционально возрасту Вселенной t, в то время как остальные константы (c, ћ, e) остаются неизменными. Однако современные наблюдения метагалактических объектов исключают такую возможность.

Совершенно другую гипотезу развил в 1961 г. выдающийся американский физик и астроном Дике. Эту гипотезу по праву можно назвать «антропной». Суть ее состоит в следующем. Для того чтобы где-нибудь во Вселенной возникла жизнь, необходимо, чтобы были тяжелые элементы, которые образуются при вспышках сверхновых. Об этом мы уже говорили раньше (см. гл. 5). Но отсюда следует, что возраст познаваемой разумными наблюдателями Вселенной должен быть не меньше возраста звезд, вспыхивающих как сверхновые. Если масса последних ~ 1,5 солнечной (что соответствует сверхновой 1 типа – см. гл. 5), то этот возраст t порядка нескольких миллиардов лет. Из теории внутреннего строения и эволюции звезд можно получить соотношение:

t1 ≈ αG—1 tp, где

tp ≈ rp / c ≈ 10–23 сек,

rp = ћ / mp c ≈ 10–13 см – радиус протона.

С другой стороны, возраст Вселенной (о не может быть много больше t1, так как в этом случае почти все звезды превратились бы в белые карлики и нейтронные звезды, о чем речь уже шла выше. Поскольку мы такой Вселенной не наблюдаем, то

t0 ~ t1 ≈ αG—1 tp,

ct0 ≈ αG—1 rp = (α / aG) α0.

Таким образом, соотношение между размерами Вселенной и атома есть простое следствие из условия наблюдаемости Вселенной разумными существами!

Между константами гравитационного и слабого взаимодействий имеется соотношение:

αG ≈ αW 4, где

αW ≈ gm2e / ћ3.

Возможно, что, это соотношение также выражает «антропный» принцип. Как оказывается, это соотношение объясняет, почему во время первичного синтеза ядер, когда возраст Вселенной исчислялся немногими минутами, 25 % всех образовавшихся ядер (по массе) были гелиевыми. Если бы αW было чуточку меньше, все образовавшиеся ядра были бы гелиевыми. В такой «гелиевой» Вселенной жизнь, конечно, невозможна (например, не было бы воды). С другой стороны, если бы αW было бы чуточку больше, гелия во Вселенной не было бы совсем и эволюция звезд шла бы совсем по-другому. Небезынтересно также отметить, что если бы αW даже незначительно отличалось от своего наблюдаемого значения, не было бы вспышек сверхновых, так как условия взаимодействия нейтрино с веществом были бы совершенно другими.

Остановимся теперь на другом обстоятельстве. Выше мы уже отмечали, что во Вселенной на каждые S ≈ 108 фотонов приходится один протон. Ни физика, ни космология не дают объяснения этому надежно установленному факту. И вот выясняется, что «антропный» принцип ограничивает значение S. Оказывается, это предельное значение S ≈ αG-1/4 ≈ 109. В противном случае ни галактики, ни звезды не могли бы образоваться путем конденсации газа под действием силы тяготения.

Для возникновения где-нибудь во Вселенной жизни, как оказывается, решающее значение имеют соотношения между массами элементарных частиц. Отношения масс элементарных частиц удивительным образом связаны с константами сильного и электромагнитного взаимодействий. Например,

f 2 = 2mp / mn,

α = (mn – mp) / mn , где

f 2 = 15, mp и mn– массы нейтронов и π-мезонов.

Если бы эти соотношения не выполнялись, в процессе нуклеосинтеза элементы, необходимые для жизни, не образовывались бы. Следовательно, эти соотношения могут также иметь «антропный» смысл. Заметим в этой связи, что условие me << mp необходимо для образования сложных многоатомных молекул, являющихся основой жизни.

Мы видим, таким образом, что наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней жизни. Если бы, например, первичный набор масс элементарных частиц, формировавшийся в первые секунды после «Большого Взрыва», был бы другой (а это, в принципе, в тех условиях вполне было возможно!). Вселенная была бы совсем другой и уже во всяком случае безжизненной. Точно так же решающее значение имеет и первичная удельная энтропия вещества Вселенной, определяемая величиной S (см. выше).

Вопрос о том, существуют ли другие Вселенные, представляется отнюдь не праздным. Современная наука не в состоянии даже подойти к этой проблеме. Пока сделаны только первые попытки к первому шагу в этом фантастически трансцендентном направлении. Мы имеем в виду чисто абстрактные конструкции американцев Уиллера и Эверетта. Последний пытался связать этот вопрос с фундаментальной для квантовой механики проблемой измерений. Согласно Эверетту при каждом таком измерении Вселенная «разветвляется» на ряд параллельных Вселенных, каждая из которых соответствует определенному результату измерений. Пока это, конечно, игра ума. Но – кто знает, чем такая игра кончится? Не является ли идея Эверетта «безумной» в высоком «Боровском» смысле этого слова? Придется, увы, подождать, по крайней мере до XXI века… А пока, вместе с Вольтеровским Панглосом мы имеем все основания считать, что живем в лучшем из миров, так как практически все «Вселенные Эверетта» должны быть «мертворожденными». Как же мог Вольтер предвидеть такую ситуацию?..

Необходимо подчеркнуть следующее обстоятельство. До последнего времени молчаливо принималось, что возникновение и развитие жизни на Земле есть строго локальный феномен. Другими словами, в возникновении и эволюции жизни на Земле Галактика и Метагалактика никакой роли не играют. (Если, конечно, не говорить о гипотезе панспермии). Считалось, что если бы ничего, кроме Солнечной системы, во Вселенной не было, жизнь развивалась так, как мы это знаем. Предполагалось, что Солнечная система изолирована. Теперь ясно, что это не так. Вся эволюция Вселенной от момента ее возникновения при «Большом Взрыве» как бы подготовила возникновение в отдельных ее малых частях очагов жизни. Нельзя понять возникновение и эволюцию жизни на Земле без понимания процесса возникновения и развития всей Вселенной.