Как работает вселенная. Введение в современную космологию - Сергей Парновский

Итак, предположим, что инфляция связана с переходом от «ложного» вакуума к «истинному», который, в свою очередь, связан со спонтанным нарушением симметрии. Более того, предположим, что в разных частях Вселенной, не связанных причинно, результаты спонтанного нарушения симметрии могут быть разными. Части Вселенной, выросшие из этих кусков, будут иметь разное нарушение симметрии. Это означает разную физику, а именно разные константы взаимодействия, разные свойства элементарных частиц, в экстремальном случае – даже разное число измерений пространства. Возвращаясь к понятию «Поливерсум», мы получим не просто гигантское количество независимых друг от друга частей Вселенной, но частей Вселенной с разной физикой.

Может показаться, что это – результат буйства фантазии. Однако природа позаботилась о том, чтобы у нас была очень простая и наглядная модель Поливерсума. Кусок железа или другого ферромагнетика состоит из различных участков, называемых доменами, внутри которых все магнитные моменты атомов выстроены параллельно. В другом домене они тоже выстроены параллельно, но в другом направлении. Границы между доменами – так называемые доменные стенки – имеют дополнительную плотность энергии по сравнению с самими доменами. Если железо не находилось во внешнем магнитном поле, то направление магнитных моментов внутри доменов можно считать результатом спонтанного нарушения симметрии. Доменная структура ферромагнетиков и сегнетоэлектриков известна в физике более сотни лет. Представим, что Вселенная тоже состоит из отдельных доменов, внутри которых физические законы постоянны. Однако в разных доменах они различны. Их разделяют доменные стенки, имеющие дополнительную плотность энергии. Размеры наблюдаемой части Вселенной (диаметр космологического горизонта) существенно меньше размеров таких доменов. Остается только пожалеть, что физикам-экспериментаторам никогда не удастся использовать свои приборы для изучения объектов из другого домена.

В такой картине Поливерсума новыми гранями заиграл так называемый антропный принцип. Этот принцип, имеющий прямое отношение к космологии, относится не столько к науке, сколько к философии. Более того, ссылки на него можно найти не только в научной работе или философском трактате, но и в богословских трудах. Опишем кратко его основные положения.

Многие ученые не раз писали, что разумная жизнь, представленная во Вселенной по крайней мере человечеством, оказалась возможна благодаря серии невероятно удачных обстоятельств. Небольшое изменение параметров взаимодействия или масс элементарных частиц привело бы к тому, что не только была бы невозможна разумная жизнь, но и вся картина мироздания была бы совершенно иной. Естественно возник вопрос: почему Вселенная так приспособлена для появления разумной жизни? Ответ богословов нетрудно предвидеть. Но физикам очень трудно было предложить свой вариант ответа.

На помощь пришли следующие философские соображения. Для того чтобы обсуждать вопрос удобства нашей Вселенной для создания разумной жизни, нужна не только Вселенная, удовлетворяющая данному критерию, но и собеседники, которые это обсуждают. Другими словами, если Вселенная плохо приспособлена для появления разумной жизни, в ней не появятся разумные существа и, соответственно, некому будет пожаловаться на ее плохое устройство. То, что вы читаете эту книгу, связано не только с тем, что автор ее написал, а вы решили прочесть, но и с тем, что Вселенная со всеми ее взаимодействиями, константами и другими параметрами сделала возможным существование и авторов, и читателей. Если у нас есть много вариантов строения Вселенной, то обсуждение этого вопроса возможно только в тех из них, в которых есть кому его обсуждать.

С научной точки зрения важно наличие большого числа возможностей. До появления теории инфляции антропный принцип пытались применить к вопросу, почему плотность Вселенной не сильно отличается от критической плотности. Чтобы обеспечить большое число возможных вариантов, выбирали одну из двух возможностей: либо Вселенная испытывает большое, возможно очень большое, количество циклов рождения и уничтожения, либо в результате квантовых флуктуаций рождается очень большое число вселенных, независимых друг от друга. В первом случае антропный принцип позволяет выбрать удачный цикл, во втором случае – подходящую вселенную.

Идея Поливерсума с доменной структурой позволяет реализовать внутри него много разных возможностей, практически независимо друг от друга. И если то, что единственная Вселенная оказалась удачно устроенной, вызывало удивление, то куда меньшее удивление вызывает то, что мы можем найти хотя бы один подходящий кусок Вселенной из огромного количества вариантов с разными физическими законами и разными параметрами взаимодействия.

Невероятно сложно сорвать джекпот, купив один лотерейный билет, но это точно получится, если ты купил 1060 билетов.

Итак, по мнению многих людей, среди которых есть и ученые, мы живем во Вселенной, очень хорошо приспособленной для существования жизни в известном нам виде. В доказательство этого они приводят аргументы, относящиеся к компетенции разных наук. Хотя от многих этих аргументов можно отмахнуться ввиду их несерьезности, некоторые из них заслуживают внимания.

Начнем с физического аргумента. Разность масс покоя нейтрона и протона должна быть чрезвычайно точно подобранной величиной. Если эта разность станет чуть меньше и сравнится с массой покоя электрона, то в атоме водорода электрон будет реагировать с протоном с образованием нейтрона, и атомарный водород не сможет стабильно существовать в природе. Все «нормальные» звезды должны будут прекратить существование; жизнь в такой вселенной станет невозможной. Если же разность масс протона и нейтрона станет немного больше, чем есть теперь, будет невозможным образование дейтерия – тяжелого водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. При этом в природе не сможет возникнуть ни один химический элемент, начиная с гелия и дальше. Очевидно, и в такой вселенной жизнь никогда не смогла бы возникнуть. Между тем эта разность масс протона и нейтрона составляет лишь десятую долю процента от массы каждой из этих частиц. И просчет в этой десятой доле на сотые в ту или в другую сторону имел бы роковые последствия для всей Вселенной. Так, тесно связанными оказываются сразу три независимые величины: массы протона, нейтрона и электрона. Кстати, среди прочих элементарных частиц именно это соотношение оказывается подобранным с такой скрупулезной точностью, почему эти частицы и служат основой вещества. Подобные рассуждения касаются и многих других физических констант, например постоянной тонкой структуры.

А вот пример химического аргумента. Молекула воды имеет ярко выраженный дипольный момент. Благодаря этому свойству вода является универсальным растворителем, способным переносить множество солей на уровне ионов. Из-за электрической поляризации молекулы воды образуют между собой тонкие связи, именуемые водородными. Эти связи возникают, когда атом водорода одной молекулы, будучи в значительной мере лишен электронной оболочки, притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода (или другому атому), входящему в состав иной молекулы. Водородные связи возникают в кристаллах льда, обеспечивая его ажурную легкую конструкцию, притом еще нескольких разных видов. Потому мы не находим другого вещества с таким малым молекулярным весом, которое было бы столь тугоплавким, как лед. Водородные связи обеспечивают и относительно малую разницу между температурами плавления и кипения для воды. Потому вода встречается на Земле во всех трех агрегатных состояниях и становится возможным ее круговорот, сопровождаемый постоянной очисткой. Только на водяной основе может строиться жизнь.