Плюнь тому в глаза, кто скажет, что можно обнять необъятное
Козьма Прутков
•Земля — шар радиусом около 6400 км.
•Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов.
•Сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс
и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними.
•В нашей Галактике примерно 100 миллиардов звезд.
• Температура поверхности Солнца около 6 тысяч градусов.
Эти простые физические факты складываются с десятками тысяч других, самых разных, — таких же простых для понимания, или не слишком простых, или совсем сложных, — образуя физическую картину мира.
У человека, начинающего знакомиться с физикой, неизбежно возникает как минимум два серьезных вопроса.
Чтобы понять, нужно запомнить всё?
Вопрос первый: неужели для того, чтобы понять устройство Вселенной и законы, по которым она существует, нужно узнать и запомнить все накопленные до сих пор физические факты?! Конечно, нет. Это невозможно. Фактов слишком много. Неизмеримо больше, чем могло бы уместиться не только в человеческом мозгу, но даже на магнитном диске самого современного суперкомпьютера. Только объем информации о размерах, температуре, спектральном классе и местоположении всех звезд нашей Галактики составляет 2–3 терабайта. Если добавить сюда другие характеристики звезд, то этот объем вырастет в несколько десятков или даже сотен раз. Еще в миллионы раз увеличится количество данных, если рассматривать и звезды в других галактиках. А еще сведения о планетах, газово-пылевых туманностях. А еще информация об элементарных частицах, их свойствах и распределении по объему Вселенной. А еще... А еще... А еще...
Совершенно невозможно запомнить или даже просто записать куда-нибудь такое количество цифр. К счастью, это и не нужно. В том и заключается невыразимо гармоничная красота нашего мира, что бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого количества базовых принципов. Поняв эти принципы, можно не только понять, но и предсказать громадное множество физических фактов. Например, система уравнений электродинамики, предложенная 150 лет назад Джеймсом Максвеллом, включает в себя всего четыре уравнения, занимающих от силы 1/10 страницы учебника. Но из этих уравнений можно вывести всю кажущуюся на первый взгляд необъятной совокупность явлений, связанных с электромагнетизмом.
В принципе, современная физика как раз и ставит себе целью построить единую теорию, которая включала бы в себя всего несколько уравнений (в идеале — одно), описывающих все известные и правильно предсказывающих новые физические факты.
Откуда мы знаем?
Вопрос второй: а откуда мы знаем и почему мы уверены в том, что всё это действительно так? Что Земля имеет форму шара. Что в ядре гелия два протона и два нейтрона. Что сила притяжения между двумя телами прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояний. Что уравнения Максвелла правильно описывают электромагнитные явления.
Мы знаем это из физических экспериментов. Когда-то, давным-давно, люди от простого созерцания природных явлений постепенно перешли к их изучению с помощью осознанно поставленных экспериментов, результаты которых выражаются числами. Примерно к XVI–XVII векам сложился тот принцип физического познания природы, который до сих пор состоит на вооружении у науки и который можно схематически проиллюстрировать вот так:
Явление → Гипотеза → Предсказание → Эксперимент → Теория.
Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют гипотезу, которая могла бы это явление объяснить. На основании гипотезы делают предсказание, которое, в общем случае, представляет собой некоторое число. Последнее проверяют экспериментально, производя измерения. Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. В противном случае всё возвращается на вторую стадию: формулируется новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый эксперимент.
Эксперимент — ключ к пониманию мироздания
Несмотря на кажущуюся простоту схемы, процесс, описанный пятью словами и четырьмя стрелками, на деле занимает порой тысячелетия. Хорошим примером служит модель мира, эволюцию которой мы уже прослеживали .
В начале нашей эры утвердилась геоцентрическая модель Птолемея, согласно которой в центре мира располагалась Земля, а вокруг нее вращались Солнце, Луна и планеты. Эта модель, которая была общепризнанна в течение полутора тысяч лет, сталкивалась, однако, со всё более серьезными сложностями. Наблюдаемое положение на небе Солнца, Луны и планет не соответствовало предсказаниям геоцентрической модели, и такое противоречие становилось всё более непреодолимым, поскольку точность наблюдений росла. Это заставило Николая Коперника предложить в середине XVI века гелиоцентрическую модель, согласно которой в центре находится не Земля, а Солнце. Гелиоцентрическая гипотеза получила блестящее подтверждение благодаря беспрецедентным по точности (для того времени) наблюдениям Тихо Браге, результаты которых совпали с предсказаниями гелиоцентрической модели. Последняя стала общепринятой, получив, таким образом, статус теории.
Этот пример, равно как и рассмотренная нами схема, показывает ключевую роль эксперимента в процессе научного познания окружающего мира. Только с помощью эксперимента можно проверить физическую модель. Чрезвычайно важен тот факт, что результаты эксперимента, так же как и предсказания физической модели, не качественные, а количественные. То есть представляют собой набор самых обыкновенных чисел. Поэтому сравнение вычисленных и измеренных результатов — вполне однозначная процедура. Только благодаря этому физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к пониманию мироздания.
Десять самых красивых
Десятки и сотни тысяч физических экспериментов были поставлены за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько «самых-самых», чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?
В газете «The New York Times» была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.
1. Эксперимент Эратосфена Киренского
Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эратосфеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.
2. Эксперимент Галилео Галилея
В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.
Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения. Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова.
Результаты, полученные Галилеем, — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.
3. Другой эксперимент Галилео Галилея
Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренные автором опыта по водяным часам.
Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится. Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.
4. Эксперимент Генри Кавендиша
После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения F между двумя телами с массами М и m, удаленных друг от друга на расстояние r, равна F = γ(mM/r2), оставалось определить значение гравитационной постоянной γ. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала. Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо.
Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы — коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы. Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.
5. Эксперимент Жана Бернара Фуко
Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.
6. Эксперимент Исаака Ньютона
В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой — экран. На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей — от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света.
Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.
Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем.
Ньютон же проделал дополнительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного.
Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.
7. Эксперимент Томаса Юнга
До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц — корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон («кольца Ньютона»), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной.
Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.
8. Эксперимент Клауса Йонссона
Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.
9. Эксперимент Роберта Милликена
Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как Майкл Фарадей и Герман Гельмгольц. В теорию был введен термин «электрон», обозначавший некую частицу — носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Жан Батист Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны.
Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента. Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009) × 10–10 электростатических единиц.
10. Эксперимент Эрнста Резерфорда
К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта «положительно-отрицательная» система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало. Большинство физиков приняли модель Джозефа Джона Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10–8 см с плавающими внутри отрицательными электронами.
В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные α-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения.
Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала α-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад).
Такого никак не могло происходить в «рыхлом» атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома — массивное крохотное ядро размерами примерно 10 –13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10 –8 см.
Вселенная для человека?
В древности человек был центром мира, вся Вселенная была создана и вращалась вокруг него. Наука превратила нас в ничтожную песчинку, затерянную в пустоте Космоса.
Но в последние годы эти две диаметрально противоположные картины мира причудливым образом соединились в концепции, которая получила название «антропный принцип».
В день своей смерти, 24 мая 1543 года, разбитый параличом Николай Коперник увидел только что вышедший из печати главный труд своей жизни — трактат «О вращениях небесных сфер».
С этой книги началось изгнание человечества из центра мира, где Земля уступила свое место Солнцу. Через полвека великий фантазер Джордано Бруно поставил под вопрос и центральное положение Солнца, до смерти — увы, своей собственной — напугав общество идеями о множественности обитаемых миров. И вот четыре столетия спустя мы живем на третьей из восьми планет у рядового светила на окраине огромной Галактики. В ней 400 миллиардов звезд, еще больше вокруг нее других галактик, и это лишь крошечная часть Вселенной. А в последнее время космологи всерьез заговорили о множественности вселенных. Этот последовательный отход от представления об особом месте человечества во Вселенной в конце XX века стали называть принципом Коперника. Раз за разом он подтверждался наблюдениями, но все равно вызывал внутренний протест, ведь человеку свойственно чувствовать себя центром мира.
В 1973 году, когда отмечалось 500 лет со дня рождения Коперника, в Кракове состоялась внеочередная ассамблея Международного астрономического союза, на которую съехались сотни исследователей со всего света. Прибыл туда и молодой астрофизик Брэндон Картер. Тяготясь, как он позже писал, «непомерным преклонением перед принципом Коперника», Картер внес своим докладом диссонанс в юбилейные славословия. «Наше положение во Вселенной, — утверждал он, — с необходимостью является привилегированным, по крайней мере в той степени, чтобы допускать наше существование». Если случайно выбрать точку во Вселенной, мы, скорее всего, попадем куда-нибудь в межгалактическое пространство, где не будет ни звезд, ни планет, а лишь чрезвычайно разреженный газ — несколько атомов на кубометр. Но и внутри Галактики человек не мог появиться ни в межзвездном пространстве, ни у короткоживущих звезд-гигантов, ни на газовых планетах, ни на безатмосферных астероидах. Большая часть Вселенной совершенно непригодна для жизни, так что место нашего обитания далеко не рядовое. Это утверждение, которое Картер назвал слабым антропным (от греческого ánthrōpos — «человек») принципом, по сути, было лишь советом не слишком заигрываться с принципом Коперника и учитывать, что особенности нашего местоположения во Вселенной сказываются на результатах наблюдений.
Но в том же докладе был сформулирован и сильный антропный принцип, полемика вокруг которого продолжается по сей день. Он гласил: «Вселенная должна быть такой, чтобы на определенной стадии допускать появление наблюдателя». Многие услышали в слове «должна» утверждение о некой цели существования Вселенной, и тем самым формулировка обрела метафизическое, можно даже сказать религиозное, звучание: Вселенная создана для человека, а значит, он, несмотря на скромность своих размеров, необходим для огромного Космоса. Правда, сам Картер не имел в виду ничего подобного: речь лишь о том, пояснял он в том же докладе, что наши теории должны учитывать факт существования во Вселенной мыслящих наблюдателей.
Перефразируя Декарта, он говорил: «Я мыслю, следовательно, Вселенная это допускает».
Удивительные совпадения
В 1919 году немецкий математик Герман Вейль подсчитал, что сила электрического взаимодействия между протоном и электроном в атоме водорода на 39 порядков (то есть в 10в39 раз) больше их гравитационного притяжения. Это колоссальная величина. Цена миски благотворительной похлебки всего в 10в13 раз меньше годового объема мировой экономики. Но суммой в 10в39 раз меньшей не оплатить и одну молекулу баланды. Почему столь велика разница фундаментальных сил, связывающих две элементарные частицы? Ведь внешне формулы гравитационного и электростатического взаимодействий так похожи. Было ясно, что это соотношение определяет различие масштабов микро- и макромира. Но почему оно именно такое, а не, скажем, 10в15 или 10в75? Этот вопрос повис тогда без ответа.
Во второй половине 1930-х годов эмигрировавший в Америку немецкий физик Ханс Бете построил теорию термоядерных источников энергии звезд, согласно которой запасов водородного топлива солнцеподобным звездам хватает на несколько миллиардов лет — цифра тогда почти немыслимая. Английский физик Поль Дирак сравнил этот самый большой встречавшийся в науке интервал времени с самым маленьким (на тот момент 10–24 секунды), который необходим свету, чтобы пройти путь, равный размеру протона. Соотношение вновь получилось около 10в39. Неужели это просто случайное совпадение?
Ответ дал в 1961 году американский астрофизик Роберт Дикке, показавший, что только если соотношения Вейля и Дирака велики и близки друг к другу, звезды наработают достаточно тяжелых элементов, в частности углерода, чтобы возникла жизнь и появился человек. Окажись, к примеру, гравитация посильнее или скорость света поменьше, и эти соотношения изменились бы, и наше возникновение стало бы невозможным. Получалось, что наша Вселенная будто специально приспособлена для появления в ней разумных существ.
Тонкая настройка
После того как антропный принцип был сформулирован Брэндоном Картером, физики и космологи азартно принялись проверять, как отразятся на возможности человеческого существования различные модификации в физических законах. По современным представлениям все многообразие физических явлений сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Уравнения, которые их описывают, содержат так называемые фундаментальные постоянные. Среди них скорость света, задающая темп самых быстрых процессов, постоянная Планка, определяющая масштаб квантовых явлений, гравитационная постоянная, характеризующая силу всемирного тяготения, а также массы, заряды и другие параметры ряда элементарных частиц. Значения фундаментальных постоянных, а всего их сегодня насчитывается 26 штук, не выводятся из теории, а измеряются экспериментально (причем далеко не все из них на сегодня известны).
Естественно, у физиков возникли вопросы: чем определяются величины этих постоянных и что случилось бы с нашей Вселенной при их изменении?
Начать хотя бы с частиц, из которых состоят атомы. Положительно заряженные протоны всего на 0,14% легче нейтронов, лишенных электрического заряда. Но эта разница примерно вдвое больше массы электрона. Избыток массы позволяет свободному нейтрону спонтанно испустить электрон (и антинейтрино), превратившись в протон. А вот протон не может самопроизвольно стать нейтроном — ему для этого нужно откуда-то получить недостающую массу. Поэтому протоны устойчивы, а нейтроны — нет. Окажись масса протона всего на четверть процента больше, ситуация стала бы противоположной, и Вселенная лишилась бы водорода, ведь его ядра как раз и есть одиночные протоны. Без водорода не зажглись бы звезды, не образовались тяжелые элементы и уж, конечно, в таком нейтронном мире не было бы жизни. Но и заметно уменьшить массу протона тоже нельзя. Иначе нейтроны станут слишком неустойчивыми и будут превращаться в протоны даже внутри атомных ядер (как это происходит с некоторыми радиоактивными изотопами). Электрическое отталкивание перенасыщенных протонами ядер привело бы к их разрушению, и во Вселенной остался бы один только водород, чего для жизни явно недостаточно.
А что если поменять относительную силу фундаментальных взаимодействий? Например, увеличить немного ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны. Это сделает стабильным атомное ядро, состоящее из двух протонов без нейтронов, так называемый дипротон, или гелий-2. Расчеты показывают, что в таком мире сразу после Большого взрыва все протоны объединяются в пары и во Вселенной не остается водорода, а значит, не будет ни воды, ни жизни.
А если всего в несколько раз усилить гравитацию (помните, она в 1039 раз слабее электромагнетизма), звезды, сжавшись, станут прогорать в десятки тысяч раз быстрее, не оставляя времени для биологической эволюции. Троньте слабое взаимодействие, определяющее поведение нейтрино, и перестанут взрываться сверхновые, которые рассеивают в космосе наработанные в звездах тяжелые элементы, и мы лишимся планет.
Оказалось, что в законах физики буквально ни к чему нельзя прикоснуться без риска получить мир, лишенный наблюдателей. Этот странный факт стали называть «тонкой настройкой» Вселенной, и он настоятельно требовал объяснения.
В центральной области Туманности Киля идут бурные процессы, без которых не могла бы возникнуть жизнь: газ и пыль сжимаются гравитацией в плотные темные глобулы, рожденные в них звезды нарабатывают тяжелые элементы, которые потом рассеиваются в космосе взрывами сверхновых
Не такая уж и тонкая настройка
Американский астрофизик и философ Виктор Стенгер считает, что тонкость настройки нашей Вселенной сильно преувеличена. Хотя по отдельности менять фундаментальные постоянные довольно опасно, при их совместном изменении могут получаться вполне пригодные для жизни миры. Свойства материи в масштабах от атомов до звезд в первом приближении определяются четырьмя константами: две из них регулируют сильное и электромагнитное взаимодействия, а другие две — это массы протона и электрона. В 2000 году Стенгер написал и разместил в Интернете небольшую программу MonkeyGod («Обезьяний бог», www.colorado.edu/philosophy/vstenger/Cosmo/ monkey.html), где можно вручную или случайно задать эти четыре константы и узнать, какие параметры будут у атомов, звезд и планет.
Оказалось, что примерно в половине таких случайно «созданных» вселенных время жизни звезд превышает миллиард лет, числа Вейля и Дирака примерно в 5% случаев совпадают по порядку величины. То есть область антропных параметров вовсе не так мала, как об этом принято думать. К тому же все антропные рассуждения исходят из того, что разумные наблюдатели непременно должны быть, подобно людям, представителями углеродной формы жизни. Этот «углеродный шовинизм» сильно сокращает диапазон возможных условий существования разума. Мы не знаем других его форм, но это вовсе не значит, что они невозможны, и быстрое развитие компьютеров дает в этом отношении изрядный простор для фантазии.
Бог Лакун и Мультиверс
Физик и популяризатор науки Пол Дэвис собрал целую коллекцию объяснений тонкой настройки. Он начинает с тривиальной возможности, которую называет «Абсурдной Вселенной»: просто принять такой мир как данность и отказаться от попыток объяснения. Как ни странно, это самое распространенное отношение людей к проблеме тонкой настройки, ведь большинство никогда о ней не задумывалось.
Другой популярный подход — списать все на сверхъестественного Настройщика, который специально запланировал появление человека. Это так называемый креационизм — религиозное течение, стремящееся найти в природе научное подтверждение существования Бога.
Основной аргумент креационистов — указание на то, что у науки нет готовых объяснений, как мир приобрел те или иные наукой же открытые свойства, будь это тонкая настройка констант или механизм наследственности. Критики в ответ говорят, что креационисты верят в «бога лакун», бытие которого обосновано лишь пробелами в современных знаниях. В последние годы распространилась политкорректная версия креационизма — «теория разумного замысла». Из нее изгнаны все явные упоминания Бога, а говорится лишь о неизвестном разуме, управляющем нашим миром. Вы вольны представлять его хоть архитектором Матрицы, хоть зелеными человечками. Так креационисты пытаются преодолеть юридический запрет на преподавание религиозных идей в американских публичных школах.
Александр Виленкин покинул СССР в 1976 году и сейчас возглавляет Институт космологии в Университете Тафтса (США). В своей книге «Много миров в одном» он предлагает синтез принципа Коперника и антропного принципа, позволяющий получить проверяемые предсказания из гипотезы о множественности вселенных
Момент истины настал на рубеже веков, когда разными методами была наконец измерена космологическая постоянная. Она оказалась вдвое выше плотности прочей материи, то есть как раз в том диапазоне, который следовал из теории Мультиверса.
Таким образом, антропный принцип получил пусть и не очень сильное, но все же экспериментальное подтверждение. Конечно, не исключено, что это значение удастся вывести из некой будущей фундаментальной физической теории, но пока счет все же в пользу Мультиверса.
Александр Сергеев
