Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Рассмотрим один пример. Ядра большинства химических элементов (все, что тяжелее гелия) образуются в звездах. Эти реакции происходят примерно так. При слиянии ядер водорода (термоядерной реакции) образуется гелий. Три ядра гелия сливаются в углерод. Концентрация гелия при этом падает, соответственно, падает и температура, и давление, противостоящее гравитации. Далее гравитация начинает сжимать звезду, и температура снова растет. Начинается следующий этап реакции, и возникает новый элемент: слияние углерода и гелия дает кислород. Такие звездные циклы повторяются в звезде много раз и вырабатывают все вещество, которое мы видим. Считается, что когда-то на месте нашего Солнца была другая, более крупная звезда, которая перегорела, взорвалась как сверхновая, а из рассеянного взрывом вещества образовались Солнце и наши планеты. Все наше богатство химических элементов – продукт жизнедеятельности этой древней звезды. Железо, кислород и кремний, из которых в основном состоит Земля, – просто наиболее энергетически выгодный финальный продукт слияния ядер в недрах этой протозвезды.

Если взглянуть на график зависимости энергии ядерной связи от порядкового номера элемента в таблице Менделеева, видно, что железо – действительно наиболее вероятный продукт звездного горения. Золото куда дальше от оптимума, поэтому золото в нашей Вселенной будет редким элементом.

В описанном достаточно стройном сценарии образования химических элементов есть одна проблема: для того чтобы образовались тяжелые элементы, необходимо, чтобы образовался углерод – так называемое углеродное горлышко. Но реакция слияния гелия в ядро углерода идет очень плохо. Чтобы пошла эта реакция, нужно, чтобы три ядра гелия одновременно оказались в одной точке. Интуитивно ясно, что это очень маловероятно. Вероятность того, что два ядра окажутся в одной точке, велика, но практически невероятно, что и третье ядро окажутся в той же точке. К 1952 году стало ясно, что эта реакция крайне маловероятна, а других реакций, приводящих к образованию углерода, просто не было. С другой стороны, мы существуем: наше существование можно рассматривать как экспериментальный факт, из которого следует, что углерод должен существовать. Исходя из этого факта, Фред Хойл в 1953 году предсказал, что должен быть резонансный энергетический уровень ядра углерода, благодаря которому реакция становится возможной. В предсказании фигурировало значение 7,7 МэВ, а уже год спустя этот уровень действительно был открыт, и оказался чуть меньше, 7,66 МэВ, – поразительное совпадение (МэВ = 106 эВ – единица измерения энергии в ядерной физике).

Фред Хойл – 1915–2001 – Британский астроном, внесший большой вклад в представления об эволюции звезд. Первым употребил термин «Большой взрыв», хотя сам придерживался альтернативной – стационарной – модели Вселенной.

Резонанс – это очень простая штука, которую мы постоянно наблюдаем и используем. Например, качаясь на качелях, нужно вовремя подгибать и разгибать ноги. Вовремя – значит, нужно попасть в такт. Попадание в такт и есть резонанс. Если вы правильно дозируете свои усилия, увеличивается амплитуда колебаний. Если такой резонансный уровень имеется у ядер углерода, если энергия трех ядер подбирается правильным образом и попадает в резонансные пики, то реакция идет хорошо. Если же нет, то она идет плохо. Оказалось, что в случае производства углерода без резонанса не обойтись.

Но это еще не вся история. Следующая реакция – это переработка углерода и гелия в кислород – она уже не резонансная. Оказалось, что резонанс у кислорода на десятые доли процента отличается от суммарной энергии углерода и гелия. Если бы эта реакция была резонансной, то перегорел бы весь углерод. В природе не было бы углерода, а были кислород и более тяжелые элементы. Возможно, была бы кремниевая жизнь. Но наша жизнь углеродная – тоже поразительный факт. Вновь все решило тонкое соотношение чисел.

Другая проблема, к решению которой можно подойти с точки зрения антропного принципа, связана с так называемой космологической постоянной. Те, кто интересуется или посматривает на странички интернета, связанные с физикой, возможно, слышали о темной энергии и космологической постоянной. Проблема состоит в следующем. В обычной ньютоновской механике энергию можно отсчитывать от любого уровня: от уровня моря, от стола, от пола – от чего угодно, важна только разность энергий. Это справедливо для всех физических теорий, кроме единственной: теории гравитации Эйнштейна. Из знаменитой формулы E = mc² следует, что энергия есть масса, способная притягивать другую массу, и это притяжение зависит не от разности энергий, а от их абсолютного значения. А значит, очень важно, от какого уровня мы будем отсчитывать энергию во Вселенной. У вакуума – состояния с наименьшей энергией – совсем не обязательно будет энергия, равная нулю. Эта энергия вакуума называется космологической постоянной и обозначается буквой Λ. Она вносит вклад в общую плотность энергии во Вселенной, а от значения этой плотности зависит, будет ли Вселенная расширяться бесконечно или, наоборот, схлопнется в точку.

Космологическая постоянная могла бы быть равна нулю – это было бы красиво. Такое значение космологической постоянной можно было бы объяснить некоторой (пока еще неизвестной) симметрией. Однако если предположить, что нет механизмов, обращающих в ноль космологическую постоянную, то простая размерная оценка показывает, что в этом случае ее наиболее «естественное» значение на 120 порядков (на единицу со ста двадцатью нулями!) превосходит плотность материи [13]во Вселенной. Будь космологическая постоянная на самом деле такой, Вселенная мгновенно раздулась бы до гигантских размеров. Настолько гигантских, что плотность вещества стала бы меньше одного нуклона на всю видимую часть Вселенной. Ясно, что ни о какой жизни в такой Вселенной не может идти и речи.

В 1987 году нобелевский лауреат Стивен Вайнберг , исходя из антропного принципа, а именно опираясь на факт существования галактик, показал, что если космологическая постоянная отлична от нуля, то она не может сильно превышать плотность материи во Вселенной. В противном случае галактики просто не смогли бы образоваться, не было бы звезд и не было бы космологов.

Стивен Вайнберг – род. 1933 – Американский физик, лауреат Нобелевской премии (вместе с Шелдоном Ли Глэшоу и Абдусом Саламом) за создание объединенной теории электрослабого взаимодействия. На русском языке изданы научно-популярные книги Вайнберга «Первые три минуты» и «Мечты об окончательной теории».