Фред Адамс - Пять возрастов Вселенной

Последнее важное событие, которое мы можем отметить в нашем календаре, — это объединение гравитации с тремя остальными силами. Это ключевое событие происходит, когда сжимающаяся Вселенная достигает температуры примерно в 10 32градусов Кельвина и до Большого сжатия остается всего 10 -43секунд. Эту температуру или энергию обычно называют величиной Планка . К сожалению, ученые не располагают самосогласованной физической теорией для такого масштаба энергий, где все четыре фундаментальные силы природы объединяются в одно целое. Когда в ходе повторного сжатия происходит это объединение четырех сил, наше современное понимание законов физики утрачивает свою адекватность. Что произойдет дальше — нам не известно.

Посмотрев на события невозможные и невероятные, остановимся на самом экстраординарном событии, которое произошло, — зарождении жизни. Наша Вселенная — довольно удобное место для жизни, как знаем ее мы. На самом деле, важную роль в ее развитии играют все четыре астрофизических окна. Планеты, самое малое окно астрономии, служат для жизни домом. Они предоставляют «чашки Петри», в которых может возникнуть и эволюционировать жизнь. Важность звезд также очевидна: они являются источником энергии, необходимой для биологической эволюции. Вторая фундаментальная роль звезд состоит в том, что они, подобно алхимикам, образуют элементы, тяжелее гелия: углерод, кислород, кальций и другие ядра, из которых состоят известные нам формы жизни.

Чрезвычайно важны также галактики, хоть это и не столь очевидно. Без связующего влияния галактик тяжелые элементы, производимые звездами, рассеялись бы по всей Вселенной. Эти тяжелые элементы суть неотъемлемые строительные кирпичики, из которых состоят как планеты, так и все формы жизни. Галактики с их большими массами и сильным гравитационным притяжением, удерживают от разлетания химически обогащенный газ, оставшийся после гибели звезд. Впоследствии этот ранее обработанный газ включается в будущие поколения звезд, планет и людей. Таким образом, гравитационное притяжение галактик обеспечивает легкую доступность тяжелых элементов для последующих поколений звезд и для образования каменистых планет типа нашей Земли.

Если говорить о самых больших расстояниях, то сама Вселенная должна обладать нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. И хотя у нас нет ничего хотя бы отдаленно напоминающего полное понимание жизни и ее эволюции, относительно определенным является одно базовое требование: на это уходит много времени. Появление человека заняло около четырех миллиардов лет на нашей планете, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная, в целом, должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развитие жизни, по крайней мере, в случае биологии, хотя бы смутно напоминающей нашу.

Свойства нашей Вселенной в целом также позволяют обеспечить химическую среду, благоприятствующую развитию жизни. Хотя более тяжелые элементы вроде углерода и кислорода синтезируются в звездах, водород тоже является жизненно важным компонентом. Он входит в состав двух из трех атомов воды, H 2O, — важной составляющей жизни на нашей планете. Рассматривая огромный ансамбль возможных вселенных и их возможных свойств, мы замечаем, что в результате первичного нуклеосинтеза весь водород мог быть переработан в гелий и даже более тяжелые элементы. Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, Вселенная могла бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.

Принимая во внимание эти соображения, становится ясно, что наша Вселенная действительно имеет нужные особенности, позволяющие наше существование. При данных законах физики, определенных значениями физических постоянных, величинами фундаментальных сил и массами элементарных частиц, наша Вселенная естественным образом создает галактики, звезды, планеты и жизнь. Если бы физические законы имели немного другой вид, наша Вселенная могла бы быть совершенно непригодна для проживания и крайне бедна астрономически.

Проиллюстрируем требуемую тонкую настройку нашей Вселенной чуть более подробно. Галактики, один из астрофизических объектов, необходимых для жизни, образуются, когда гравитация одерживает верх над расширением Вселенной и провоцирует сжатие местных областей. Если бы сила гравитации была гораздо слабее или скорость космологического расширения гораздо быстрее, то к настоящему моменту в космосе не было бы ни одной галактики. Вселенная продолжала бы рассеиваться, но не содержала бы ни одной гравитационно связанной структуры, по крайней мере, на данный момент истории космоса. С другой стороны, если бы сила гравитации имела гораздо большую величину или скорость расширения космоса была бы гораздо ниже, то вся Вселенная вновь коллапсировала бы в Большом сжатии задолго до начала образования галактик. В любом случае в нашей современной Вселенной жизни бы не было. Значит, интересный случай Вселенной, заполненной галактиками и прочими крупномасштабными структурами, требует достаточно тонкого компромисса между силой гравитации и скоростью расширения. И наша Вселенная реализовала именно такой компромисс.

Что касается звезд, то здесь требуемая тонкая настройка физической теории сопряжена с еще более жесткими условиями. Реакции термоядерного синтеза, протекающие в звездах, выполняют две ключевые роли, необходимые для эволюции жизни: образование энергии и производство тяжелых элементов типа углерода и кислорода. Чтобы звезды сыграли отведенную им роль, они должны жить на протяжении долгого времени, достигнуть достаточно высоких центральных температур и быть достаточно распространенными. Чтобы все эти составляющие головоломки встали на свои места, Вселенная должна быть наделена обширным диапазоном особых свойств.

Наверное, самый понятный пример может предоставить нам ядерная физика. Реакции термоядерного синтеза и ядерная структура зависят от величины сильного взаимодействия. Атомные ядра существуют как связанные структуры, потому что сильное взаимодействие способно удерживать протоны рядом друг с другом, даже несмотря на то, что сила электрического отталкивания положительно заряженных протонов стремится разорвать ядро. Если бы сильное взаимодействие было чуть-чуть слабее, то тяжелых ядер попросту не было бы. Тогда во Вселенной не было бы углерода, а следовательно, и тех форм жизни, в основе которых лежит углерод. С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было еще сильнее, тогда два протона могли бы объединиться в пары, называемые дипротонами. В этом случае сильное взаимодействие было бы таким сильным, что все протоны во Вселенной объединились бы в дипротоны или даже в еще более крупные ядерные структуры, и обычного водорода просто не осталось бы. В отсутствие водорода во Вселенной не было бы воды, а следовательно, и известных нам форм жизни. К счастью для нас, наша Вселенная имеет как раз нужную величину сильного взаимодействия, чтобы разрешить водород, воду, углерод и прочие необходимые составляющие жизни.