Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

А если бы галактики сближались? Тогда вместо красного смещения происходило бы фиолетовое — сдвиг излучения в сторону больших частот и более коротковолновых, жестких излучений. При этом условии все небо светилось бы так же ослепительно ярко, как светится диск Солнца, — на нас обрушивался бы испепеляющий поток излучения, приблизительно в 200 тысяч раз превосходящий по своей интенсивности солнечный свет. Плотность излучения была бы настолько велика, что в такой Вселенной жизнь не могла бы существовать, более того, не могли бы существовать даже планеты — они просто испарились бы!

Даже в том случае, если бы Вселенная просто не расширялась или темп расширения был менее значительным, то общая интенсивность фона излучения была бы столь велика, что в нашем мире не могло бы ничего появиться, ничего хотя бы отдаленным образом напоминающего белковую форму жизни.

Следовательно, мы совсем не случайно живем именно в расширяющейся Вселенной и наблюдаем именно красное смещение в спектрах галактик.

Разбегание галактик — это не только ослабление плотности излучения, делающее возможным существование биологической жизни. Расширяющаяся Вселенная — это Вселенная изменяющаяся: ее прошлое не тождественна настоящему, а настоящее — будущему. Если мысленно повернуть картину разбегания галактик вспять, то мы придем к выводу о том, что около 18 миллиардов лет назад не было ни звезд, ни галактик, ни планет, ни туманностей. Существовал только компактный сгусток сверхплотной горячей плазмы. Затем началось взрывное расширение этого сгустка, стали возникать неоднородности среды; их дальнейшая эволюция привела к формированию многообразного мира космических объектов, составляющих «население» современной Вселенной.

Но меняется не только Вселенная. Многие космические объекты также находятся в нестационарных состояниях. В сравнительно короткие по астрономическим масштабам промежутки времени они испытывают глубокие качественные превращения, качественные скачки, в этих объектах совершаются превращения материи, ее переходы из одного состояния в другое, сопровождающиеся выделением колоссальных количеств энергии и даже взрывными явлениями. К числу таких нестационарных объектов относятся, например, квазары и ядра некоторых галактик.

Таким образом, мы живем в нестационарной Вселенной, в которой на различных уровнях существования материи совершаются необратимые физические процессы. Осознание этого факта имеет существенное значение для всей нашей практической деятельности.

Так же тесно и весьма критическим образом свойства жизни на Земле связаны и со многими другими фундаментальными свойствами астрономического мира, в частности с конкретным ходом образования тяжелых элементов в процессе эволюции Вселенной. Выявляется грандиозная взаимозависимость между начальными условиями эволюции Вселенной и конкретными физическими предпосылками появления жизни. Становится ясно, что средой обитания жизни является не только поверхность нашей планеты, но и окружающий мир Солнечной систему, и Галактика с ее специфическими свойствами, и вся наша Вселенная.

Земная жизнь предстает закономерным результатом предшествующего развития материи не как локальное явление, а как глобальный итог множества различных причин и следствий, работающих во «вселенском» масштабе.

Наша Вселенная, ее фундаментальные свойства, в том числе структура, которой она обладает, начиная от элементарных частиц и вплоть до сверхскоплений галактик, самым тесным образом связаны и со значениями физических констант, а также формой действующих в ней физических закономерностей. Эти константы и закономерности обеспечили формирование в процессе эволюции нашей Вселенной таких условий, при которых возникает возможность образования сложных систем и сложных форм движения, а в конечном счете — жизни и человека.

Фундаментальные константы, определяющие свойства Вселенной, занимают среди огромного многообразия различных физических величин, которые входят в структуру основных физических теорий, совершенно особое место. К их числу относятся скорость света в пустоте (с), заряд (е) и масса (m е) электрона, так называемая постоянная Планка (G), гравитационная постоянная (G) и некоторые другие. Эти константы отражают наиболее глубокие, основополагающие свойства окружающего нас мира, и поэтому их не случайно называют иногда «константами Вселенной». Они неизменно фигурируют в основных уравнениях современной теоретической физики. Постоянная Планка t l=1,05·10 -27эрг·с = 1,05·10 -33.Дж·с связывает между собой в квантовой теории энергию Eи циклическую частоту фотона со известным соотношением Е =ђω.

Скорость света с входит в уже знакомое нам соотношение специальной теории относительности Эйнштейна, известное под названием принципа эквивалентности.

Что же касается заряда и массы электрона, то эти величины характеризуют не только свойства этой конкретной элементарной частицы, но и многих других материальных образований.

Фундаментальные константы тесно связаны с уже знакомыми нам четырьмя типами физических взаимодействий: ядерным, или сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Так, постоянная тяготения G характеризует силу тяготения, а заряд электрона еявляется количественной характеристикой электромагнитных сил. Аналогичную роль для сильных и слабых взаимодействий играют соответственно константы g s и g F (постоянная Ферми).

С помощью фундаментальных констант можно охарактеризовать физические взаимодействия безразмерными константами: слабого взаимодействия a w , электромагнитного а e (так называемая «постоянная тонкой структуры»), сильного а s; и гравитационного a g. Их несложно получить, рассмотрев отношение энергии каждого из взаимодействий, скажем, с энергией фотона.

В результате мы определим следующие приближенные числовые значения констант взаимодействия:

где т р — масса протона.

Путем сравнения полученных чисел нетрудно установить, что электромагнитное взаимодействие приблизительно в 100 раз слабее сильного, слабое в 1000 раз слабее электромагнитного, aгравитационное взаимодействие еще в 10 39раз слабее.

В 1937 г. известный физик П. Дирак высказал предположение о том, что фундаментальные физические константы медленно изменяются с течением времени, и, следовательно, в отдаленном прошлом на ранних стадиях эволюции Вселенной их значения могли весьма существенно отличаться от современных.