Николай Кудрявец - Взгляд со стороны. Естествознание и религия

Мы живём в точно настроенной и выверенной Вселенной. Если температура Солнца станет меньше 5 500 градусов Цельсия, Земля замёрзнет, – при большей температуре всё живое будет сожжено. При уменьшении массы Юпитера количество летящих из космоса комет к Земле стремительно возрастёт, и жизнь на Земле будет уничтожена. Астрономы считают, что влияние Юпитера и Сатурна на Землю привело к удлинению её эллиптической орбиты и повлияло на наклон оси. Луна также способствует наклону Земли и устойчивости климата. При отсутствии наклона испаряемая в океанах влага будет мигрировать к северу и югу, и континенты покроются льдом. И это мизерная часть «случайностей» в Солнечной системе, благодаря которым на Земле существует жизнь.

Знакомство с общепризнанной, увенчанной Нобелевской премией Стандартной моделью приводит к однозначному выводу: Вселенная организована таким образом, чтобы в ней могла существовать жизнь. Даже незначительное изменение численного значения одной из примерно 20 констант, входящих в Стандартную модель, полностью лишает Вселенную атомов. Изменение массы электрона всего на 0,2 % изменит время жизни звёзд настолько, что для эволюции живых организмов не хватит времени. Отклонение константы сильного взаимодействия всего на одну десятитысячную в ту или другую сторону сделает невозможным образование атомов углерода, а значит, и зарождение органической жизни будет невозможным.

Такая точная настройка Стандартной модели порождает много вопросов. Один из них – случайны ли наблюдаемые значения фундаментальных констант? И могло ли больше дюжины стабильных и взаимосвязанных друг с другом констант появиться случайным образом в момент или после Большого взрыва, по мере образования элементарных частиц и атомов?

Если Вселенная развивается случайным образом, должны меняться во времени и фундаментальные константы. Учёные решили получить ответ на данный вопрос путём прямого измерения фундаментальных постоянных в различных областях Вселенной. Для измерения была выбрана одна из физических постоянных – постоянная тонкой структуры α, или постоянная Зоммерфельда. Данная константа является скалярной величиной, получена опытным путём и равная примерно 1/137. Она характеризует силу электромагнитного взаимодействия и определяет все основные свойства и характеристики объектов микромира: размеры электронных орбит в атомах, энергию связи между элементарными частицами и атомами, следовательно, все физические и химические свойства вещества.

Безразмерная α образована из комбинации других фундаментальных констант: элементарного электрического заряда е , приведённой постоянной Планка ћ , скорости света в вакууме с и диэлектрической проницаемости свободного пространства ε 0 . Она также может быть образована и в терминах других фундаментальных физических констант. Её численное значение не зависит от выбранной системы единиц, поэтому она хорошо подходит для ответа на поставленный вопрос.

Большинство экспериментальных данных подтверждают неизменность постоянной α . Исследования, проведённые в 2016 г. учёными из Института астрономии при Кембриджском университете и из Центра астрофизики и суперкомпьютерных вычислений в Технологическом университете Суинберна в Австралии, показали, что постоянная тонкой структуры в галактике за последние 8,5 миллиарда лет не изменилась [14] Kotuš S., Murphy M. et al. High-precision limit on variation in the fine-structure constant from a single quasar absorption system, 2016. https://arxiv.org/abs/1609.03860. .

Астрофизики из семи стран под руководством Майкла Вильчинского из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии установили, что физическая константа α за последние 13 миллиардов лет – а это соответствует возрасту Вселенной 800 миллионов лет – сохранила своё значение с точностью до пятого знака после запятой. Но, когда учёные рассмотрели полученные результаты совместно с другими измерениями константы, они заметили пространственные вариации постоянной на уровне статистической значимости [15] Wilczynska M., Webb J. et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago. – Science Advances, 2020. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aay9672. . Это указывает на то, что расхождение между современными и прошлыми значениями постоянной тонкой структуры зависит не от количества прошедшего времени, а от пространственного положения тех точек, где были сделаны замеры.

Неизменность константы подтверждает Стандартную модель. Однако существуют теории, в отличие от Стандартной модели, допускающие изменение фундаментальных констант во времени. Но здесь важно другое. Известно, будь α всего на 4 % больше, производство углерода внутри звёзд стало бы невозможным, следовательно, и зарождение жизни на нашей планете не произошло бы.

Если константа стабильна, наша Вселенная изначально была запрограммирована на возникновение жизни. Если же она изменяется – однородности и изотропности Вселенной нет, и человечество возникло в тот момент, когда возможно его существование. И нам отведён небольшой отрезок жизни во времени и крохотная часть пространства Вселенной с наблюдаемыми в настоящее время параметрами.

В первые моменты существования горячей и плотной Вселенной количество частиц и античастиц было одинаковым. Из этого следует, что Вселенная вообще не могла образоваться, – аннигиляция частиц и античастиц должна была превратить её в электромагнитное излучение. Но, как известно, Вселенная почти полностью образована из материи.

Факт существования нашей Вселенной в форме вещества (барионов) и отсутствие сколь-либо значимого количества антивещества указывают на существенную неполноту современных знаний. Некоторые учёные полагают, что для описания современной картины микромира следует предположить существование дополнительных полей и взаимодействий.

Для объяснения наблюдаемого с ускорением расширения Вселенной космология вводит гипотетический вид энергии – тёмную энергию с отрицательным давлением (антигравитацией). Её доля составляет примерно 70 % от всей энергии Вселенной, но из-за низкой плотности (≈10 –29г/см 3) экспериментально обнаружить тёмную энергию не представляется возможным.

Если тёмная энергия связана с ускорением Вселенной, возникает закономерный вопрос: почему ускорение Вселенной началось именно с конкретного момента времени? Начнись ускорение раньше, звёзды и галактики не успели бы сформироваться, и для возникновения жизни не осталось бы никаких шансов.

Не исключено, что для расширения Вселенной не требуется обязательное присутствие в пространстве тёмной энергии. Силы гравитации могут уступить место антигравитационным силам при переходе до величин, сопоставимых с наблюдаемой Вселенной. Примером может служить неожиданное изменение сил притяжения на силы отталкивания при попытке сблизить друг с другом нуклоны в атомном ядре на расстояние меньше 0,5 Ферми.