Наша не так уж точно настроенная вселенная

Перевод осуществлен проектом Newочём

Для возникновения жизни необходима основа. Наша Вселенная синтезировала атомные ядра на начальном этапе своей истории. Ядра поймали электроны, чтобы сформировать атомы. Скопления атомов образовали галактики, звезды и планеты. Наконец, у живых существ появилось место, которое они могли назвать домом. Мы воспринимаем как данность, что законы физики допускают появление таких структур, но все могло быть иначе.

На протяжении последних десятилетий многие ученые вели споры насчет того, что если бы законы физики были хоть немного другими, в космосе отсутствовали бы столь сложные структуры. Параллельно с этим космологи пришли к выводу, что наша Вселенная может быть лишь частью Мультивселенной — огромного множества вселенных, занимающего большую часть пространственно-временного континуума. Существование других вселенных дает привлекательную возможность объяснить очевидную точность законов физики, ведь законы меняются в зависимости от вселенной, а мы живем в той, которая допускает наличие наблюдателей, поскольку мы не смогли бы жить где-то еще.

Астрофизики уже так долго обсуждают концепцию тонкой настройки Вселенной, что многие стали воспринимать как данность, что наша Вселенная необычным образом подходит для сложных структур. Даже те, кто скептически относятся к гипотезе Мультивселенной, принимают это предположение; они просто считают, что можно найти другое объяснение. На деле, тонкую настройку Вселенной никто наглядно не показал. Мы точно не знаем, какие законы физики необходимы для развития астрофизических структур, а какие необходимы для развития жизни. В недавних работах по эволюции звезд, ядерной астрофизике и структурообразованию есть предположения, что аргументы в пользу тонкой настройки Вселенной менее состоятельны, чем считалось ранее. Необходимые для развития жизни условия возможны и в других вселенных, поэтому наша не настолько уникальна, как кажется.

Первый вид тонкой настройки Вселенной это первичные силы природы в действующих звездах. Если бы электромагнитная сила была слишком велика, то электрическое отталкивание протонов прекратило бы ядерный синтез внутри звезд, и они бы перестали светить. Если бы электромагнетизм был слишком слабым, то ядерные реакции вышли бы из-под контроля, и звезды стали бы очень эффектно взрываться. А если бы гравитация была слишком сильной, звезды либо сжались бы в черные дыры, либо просто никогда бы не зажглись.

Но если взглянуть поближе окажется, что звезды удивительно живучи. Сила электрического взаимодействия может изменяться в сто раз в оба направления перед тем, как деятельность звезды будет поставлена под угрозу. Сила гравитации могла бы стать в сто раз больше или в миллиард раз меньше, а звезда все равно продолжала бы жить. Допустимые значения гравитационных и электромагнитных сил зависят от сил ядерных. Если скорость реакций была бы выше, звезды могли бы функционировать даже при большем диапазоне гравитационных и электромагнитных сил. Напротив, менее быстрые ядерные реакции сузили бы этот диапазон.

Помимо этих минимальных условий состояние звезд также должно соответствовать определенному числу других показателей, еще сильнее сокращающих число допустимых значений сил взаимодействия. Звезды должны быть горячими. Температура их поверхностей должна быть достаточно высока, чтобы привести к осуществлению химических реакций, необходимых для развития жизни на планете. В нашей Вселенной пространства вокруг большинства звезд достаточно велики, поэтому существуют области, где температура поверхности планет держится у отметки в 27,85 °С, чего достаточно для поддержания жизни. Во Вселенных, где электромагнитные силы больше, звезды холоднее, что затрудняет развитие жизни.

Помимо всего прочего, звезды должны долго жить. Эволюция сложных форм жизни происходит в течение огромных отрезков времени. Так как жизнью движет сложный набор химических реакций, главные часы для биологической эволюции устанавливаются атомной временной шкалой. В других вселенных атомные часы будут тикать с другой скоростью, в зависимости от силы электромагнитных взаимодействий и это различие также необходимо учитывать. Когда сила невелика, звезды сжигают ядерное топливо быстрее, и, следовательно, продолжительность их жизни уменьшается.

И последнее — звезды должны просто сформироваться. Чтобы галактики, а потом звезды, могли сконденсироваться из исходного газа, у него должна быть возможность терять энергию и охлаждаться. Скорость охлаждения зависит (опять-таки) от электромагнитных сил. Если она слишком слабая, газ не сможет достаточно быстро охладиться и останется в диффузном состоянии вместо того, чтобы уплотниться, создав галактику. Еще звезды должны быть меньше своих домашних галактик, иначе образование звезд станет проблематичным. Эти условия еще больше снижают допустимую силу электромагнетизма.

Получается, что величины фундаментальных сил могут увеличиваться или уменьшаться на несколько порядков, а планеты все равно будут вписываться в заданные условия (как видно по схеме ниже). Эти силы отлажены хуже, чем кажется многим ученым.Второй пример возможной наладки вселенной возникает в контексте образования углерода. После того, как в ядрах среднего размера звезд произошла ядерная реакция, преобразовавшая водород в гелий, сам гелий становится топливом. В результате сложной последовательности реакций гелий сжигается в углерод и кислород. Из-за того, что ядра гелия играют важную роль в ядерной физике, им дали специальное название: альфа-частицы. Наиболее распространенные ядра состоят из одной, трех, четырех или пяти альфа-частиц. Как можно заметить, ядрá с двумя альфа-частицами, бериллия-8, не существует, чему есть хорошее объяснение: в нашей вселенной он нестабилен.

Нестабильность бериллия создает трудность для образования углерода. Когда звезды преобразовывают ядра гелия, чтобы они стали бериллием, ядра бериллия практически сразу начинают распадаться обратно на свои составные части. В любой момент времени ядро звезды содержит небольшое, но неустойчивое количество бериллия. Эти редко встречающиеся ядра бериллия могут взаимодействовать с гелием для образования углерода. Так как в итоге в процессе принимают участие три ядра гелия, он называется тройным альфа-процессом. Но эта реакция слишком медленная для производства такого количества углерода, как в нашей вселенной.

Чтобы разрешить этот парадокс, физик Фред Хойл предсказал в 1953 году, что при определенной энергии у ядра углерода должно быть резонансное состояние: как будто он — это маленький колокольчик, звенящий с определенным тоном. Из-за этого резонанса скорость реакции образования углерода намного выше, чем могла бы быть: она настолько высока, что это вполне объясняет большое количество углерода, найденное в нашей вселенной. Позже этот резонанс измерили в лаборатории с рассчитанным уровнем энергии.

Беспокойство заключается в том, что в других вселенных с другими величинами сил энергия этого резонанса может быть другой, и звезды не производили бы достаточно углерода. Образование углерода нарушается, если уровень энергии меняется больше, чем на 4 процента. Эту проблему иногда называют вопросом тройной альфа наладки вселенной.

К счастью, у этой задачи есть простое решение. Что ядерная физика забирает, то она и дает. Предположим, ядерная физика действительно изменилась настолько, что смогла нейтрализовать углеродный резонанс. Среди возможных изменений такого масштаба примерно у половины был бы побочный эффект, сделавший бы бериллий стабильным, поэтому потеря резонанса не имела бы значения. В таких альтернативных вселенных углерод производился бы более логическим способом — путем добавления альфа-частиц по одной. Гелий смог бы преобразоваться в бериллий, который потом вошел бы в реакцию с альфа-частицами для образования углерода. Проблемы наладки тут в итоге не стоит.

Третий пример возможной наладки вселенной касается простейших ядер, состоящих из двух частиц: дейтрон, в составе которого один протон и один нейтрон, дипротон, содержащий два протона, и динейтрон, состоящий из двух нейтронов. В нашей вселенной стабилен только дейтерий. Образование гелия происходит путем добавления к нему двух протонов.

Если бы ядерная сила была больше, дипротон был бы стабилен. В этом случае звезды могли бы генерировать энергию с помощью самых простых и быстрых ядерных реакций, когда протоны соединяются для образования дипротонов и далее — других изотопов гелия. Иногда утверждают, что в таком случае звезды сжигали бы свое ядерное топливо с очень большой скоростью, из-за чего продолжительность их жизни была бы слишком короткой для поддержания биосферы. И наоборот, если бы сила была меньше, то дейтерий был бы нестабилен, и первый шаг на пути к тяжелым элементам был бы недоступен. Многие ученые строили домыслы о том, что отсутствие стабильного дейтерия привело бы ко вселенной без тяжелых элементов, и в такой вселенной не было бы сложных структур и жизни.
 Как оказалось, звезды — это невероятно стабильные сущности. Их структура автоматически меняется для того, чтобы сжигать ядерное топливо со скоростью, необходимой для самоподдержания при сопротивлении своей собственной гравитации. Если скорость ядерных реакций выше, звезды сожгут свое ядерное топливо при более низкой средней температуре, а иначе они бы не были такими разными. На самом деле, наша вселенная как раз является примером поведения такого рода. Ядра дейтерия могут соединяться с протонами для образования ядер гелий с помощью действия большой силы. Выборка данных по этой реакции, определяющая вероятность ее возникновения, в квадриллион раз больше, чем для обычных термоядерных реакций водорода. Тем не менее, звезды в нашей вселенной сжигают дейтерий довольно обычным, бессобытийным способом. Рабочая температура ядра звезды составляет 1 000 000 К, а для того чтобы сжечь водород в обычных условиях, нужна температура 15 000 000 К. У звезд, сжигающих дейтерий, более холодный центр, и они больше солнца, но во всех других отношениях они ничем не примечательны.

Подобным образом, если бы ядерная сила была меньше, звезды смогли бы продолжать функционировать и в отсутствие стабильного дейтерия. Некоторые другие процессы предусматривают способы, с помощью которых звезды могут генерировать энергию и синтезировать тяжелые элементы. В течение первой части своей жизни звезды медленно уплотняются, их ядра становятся горячее и плотнее, и они сияют с мощностью излучения солнца. Звезды в нашей вселенной в итоге становятся настолько горячими и плотными, что могут начать ядерный синтез, но в альтернативных вселенных они могут продолжать фазу сжатия и генерировать силу с помощью потерь гравитационной потенциальной энергии. Самые долгоживущие звезды могли сиять с мощностью излучения, сравнимой с солнцем, до 1 млрд лет, чего скорее всего хватило бы для биологической эволюции.

Если звезды очень крупные, то сжатие усиливается и приводит к коллапсу. Эти звездные тела, по сути, просто становятся сверхновыми. Их средняя температура и плотность увеличиваются до таких больших значений, что начинаются ядерные реакции. В «предсмертной агонии» со звездами происходит много различных ядерных реакций. Этот процесс взрывного нуклеосинтеза может обеспечить вселенную тяжелыми ядрами несмотря на отсутствие дейтерия.

Когда в такой вселенной есть даже небольшое количество тяжелых элементов, у более позднего поколения звезд появляется еще один вариант для ядерных реакций. Этому процессу, который называется CNO-циклом (цикл углерода-азота-кислорода), не требуется дейтерий в качестве переходного состояния. Вместо этого углерод выступает катализатором для образования гелия. Такой цикл осуществляется в недрах солнца и является лишь небольшой частью всей его энергии. В отсутствие стабильного дейтерия CNO-цикл доминирует над генерацией энергии. И на этом варианты для производства ядерной энергии не заканчиваются. Звезды также могут производить гелий с помощью тройной нуклоновой реакции, которая в целом аналогична тройному альфа-процессу образования углерода. Таким образом, в альтернативных вселенных у звезд много каналов, как для энергии, так и для сложных ядер.

Четвертый пример точной настройки связан с формированием галактик и других крупномасштабных структур. Им положили начало колебания малой плотности, произошедшие в самые ранние моменты космического времени. После того как вселенная достаточно остыла, эти колебания начали становиться сильнее под воздействием силы притяжения, и в конце концов более плотные области стали галактиками и группами галактик. В начале у колебаний была небольшая амплитуда Q, равная 0,00001. Таким образом, первобытная вселенная была невероятно гладкой: плотность, температура и давление в самых плотных и самых разреженных областях отличались только на несколько стотысячных. Значение Q иллюстрирует еще один возможный случай точной настройки во вселенной.

Если бы Q была ниже, колебаниям потребовалось бы больше времени, чтобы стать достаточно сильными и превратиться в космические структуры, а галактики были бы менее плотными. Когда плотность галактики слишком мала, газ в ней не может остыть. Он может никогда не конденсироваться в галактические диски или объединиться в звезды. Галактики с низкой плотностью не являются пригодной средой для жизни. Что еще хуже, достаточно продолжительная задержка могла бы не дать галактиками сформироваться вообще. 4 миллиарда лет назад расширение вселенной начало ускоряться и растягивать материю быстрее, чем она могла собираться. Эту перемену в скорости обычно связывают с таинственной темной энергией. Если бы Q была слишком мала, галактикам потребовалось бы так много времени на сжатие, что ускорение началось бы до завершения формирования структур и дальнейший рост был бы подавлен. Вселенная могла бы остаться безжизненной и лишенной сложности. Чтобы этого не произошло, значение Q не может быть меньше нашего более, чем в 10 раз.

Что, если Q была бы больше? Галактики сформировались бы раньше и были бы плотнее. Это тоже представляло бы опасность для потенциальной обитаемости. Звезды находились бы намного ближе друг к другу и взаимодействовали бы чаще. В процессе они могли бы скинуть планеты с орбит и послать их в открытый космос. Более того, поскольку звезды были бы ближе, ночное небо было бы ярче, возможно, таким же ярким, как дневное. Звездный фон был бы слишком плотным, совместный свет звезд мог вскипятить океаны любой в остальном пригодной для жизни планеты.

В данном случае, аргумент про тонкую настройку не очень убедителен. Центральные области галактик действительно могли бы излучать настолько сильную фоновую радиацию, что все планеты были бы необитаемыми. Но на окраинах галактик плотность всегда была бы достаточно низкой, чтобы обитаемые планеты выжили. Значительная часть галактического пространства остается жизнеспособной, даже если Q в тысячи раз больше, чем в нашей вселенной. В некоторых случаях эта галактика может быть даже более благоприятной. Во всей галактике ночное небо могло быть таким же ярким, как солнечный свет, который мы видим на Земле днем. Планеты получали бы свою жизненную энергию от множества далеких звезд, а не только от своего солнца. Они могли бы располагаться практически на любой орбите. В альтернативной вселенной с колебаниями с большей плотностью, чем в нашей, даже на Плутоне дневного света было бы столько же, как и в Майами. В результате, в сравнительно плотной галактике могло бы быть больше обитаемых планет, чем в Млечном пути.

Вкратце, параметры нашей вселенной могли бы отличаться в десятки раз, и все равно существовали бы работающие звезды и потенциально обитаемые планеты. Сила притяжения была бы в тысячу раз сильнее или в миллиард раз слабее, но звезды все равно функционировали как долговечный двигатель ядерного горения. Электромагнитная сила была бы сильнее или слабее в сто раз. Скорости ядерных реакций варьировались бы во много раз. Альтернативная физика звезд могла бы создать тяжелые элементы, которые составляют основной исходной материал для планет и людей. Очевидно, что параметры, которые определяют строение звезд и эволюцию, не слишком точно настроены.

Учитывая то, что наша вселенная, кажется не особенно точно настроенной, можем ли мы сказать, что наша вселенная — лучшая для развития жизни? Наше нынешнее понимание говорит, что нет. Можно легко представить более дружелюбную вселенную и, возможно, более логичную. Вселенная с изначальными колебаниями большей плотности создала бы более плотные галактики, которые могли бы поддерживать более обитаемые планеты, чем наша. Во вселенной со стабильным бериллием могли существовать прямые каналы производства углерода, и там не требовалась бы сложная тройная гелиевая реакция. Хотя эти вопросы все еще изучаются, мы уже понимаем, что у вселенных есть много путей развития сложных структур и биологии, и некоторые могут быть более расположены к жизни, чем наша. В свете этих обобщений астрофизикам следует пересмотреть возможные последствия Мультивселенной, включая степени точной настройки в нашей.

Фред Адамс — профессор физики в Мичиганском университете в Энн-Арбор. Лауреат премии имени Хелены Уорнер Американского астрономического сообщества, премии для молодых исследователей Национального научного фонда и многочисленных наград от Мичиганского университета. Соавтор книги «Пять возрастов Вселенной. В глубинах физики вечности».