Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Реакция на литиевую загадку поднимает перед нами потенциальную проблему, связанную с предсказаниями на основе ядерного синтеза Большого взрыва. Представим, что мы вычисляем относительное содержание различных элементов. За значительную часть происходящего во Вселенной, вероятно, отвечают самые обычные, самые распространенные ядерные реакции, и величины, полученные в результате их просчета, в большинстве случаев не сильно отличаются от реальности. А дальше мы начинаем работать над отклонениями. Слишком мало серы? Хм-м, давайте найдем новые траектории, ведущие к образованию серы. Так, нашли, и числа теперь выглядят правильно — с серой разобрались, переходим к цинку. Чего мы при этом не делаем, так это не продолжаем поиски новых путей образования серы. Я не хочу сказать, что кто-то намеренно делает подобные вещи, такой избирательный подход — штука естественная, он случался в науке и прежде. Возможно, литий не единственное несоответствие. Сосредоточившись на случаях, где содержание получается слишком низким, мы, возможно, упускаем те случаи, где более тщательные расчеты сделали бы его слишком высоким.

Еще одна характеристика звезд, которая сильно зависит от математической модели, — это их точная структура. Строение большинства звезд на каком-то конкретном этапе своей эволюции может быть описано как серия концентрических оболочек. Каждая оболочка имеет собственный, вполне конкретный состав и «сгорает» в подходящих ядерных реакциях. Некоторые оболочки прозрачны для электромагнитного излучения и испускают тепло в окружающее пространство. Некоторые непрозрачны, и тепло в них переносится конвекцией. Эти структурные соображения самым тесным образом связаны с эволюцией звезд и способами, посредством которых они синтезируют химические элементы.

Попытка разобраться в одном из «дефицитов» привела Хойла к знаменитому предсказанию. Когда он просчитал (ожидаемое) относительное содержание углерода, его получилось слишком мало. Однако мы существуем, а углерод служит принципиально важным ингредиентом жизни. Поскольку мы с вами — звездная пыль, то получается, что звезды должны каким-то образом вырабатывать намного больше углерода, чем указывают расчеты Хойла. Исходя из этого, он предсказал существование неизвестного пока резонанса в ядре углерода, который намного упрощал бы его образование. Позже резонанс действительно был зарегистрирован, примерно там, где и предсказал его Хойл. Этот факт часто представляется как триумф антропного принципа: сам факт нашего существования накладывает серьезные ограничения на Вселенную.

Критический анализ этой истории опирается в какой-то мере на ядерную физику. Естественный путь к образованию углерода — это тройной альфа-процесс или, иначе, тройная гелиевая реакция, проходящая в красных гигантах. Гелий-4 имеет в ядре два протона и два нейтрона. Основной изотоп углерода содержит по шесть штук того и другого. Так что три ядра гелия (или альфа-частицы, как их еще называют) при слиянии могут образовать ядро углерода. Замечательно, но… Два ядра гелия сталкиваются часто, но если мы хотим получить в результате углерод, то третье ядро гелия должно врезаться в первые два ровно в момент столкновения. Тройное столкновение в звезде происходит ужасно редко, так что углерод не может образовываться таким путем. Хорошо, пусть два ядра гелия, сливаясь, образуют бериллий-8, а затем уже третье ядро гелия сливается с ним и образует углерод. К несчастью, бериллий-8 распадается через 10↑ –16секунды, что очень ограничивает возможности его столкновения с ядром гелия. Такой двухступенчатый процесс не может дать достаточное количество углерода.

Если только не окажется… что энергия углерода очень близка к суммарной энергии бериллия-8 и гелия. Это своего рода ядерный резонанс, именно он заставил Хойла предсказать новое, неизвестное на тот момент состояние углерода с энергией на 7,6 МэВ выше самого низкого энергетического состояния. Через несколько лет действительно было открыто состояние с энергией 7,6549 МэВ. Но суммарная энергия бериллия-8 и гелия составляет 7,3667 МэВ, так что энергия новооткрытого состояния углерода, получается, чуть великовата.

Откуда же берется эта энергия? Ее почти полностью обеспечивает температура красного гиганта.

Это один из любимых примеров пропагандистов так называемой «тонкой настройки» — идеи о том, что Вселенная необычайно точно настроена таким образом, чтобы в ней могла существовать жизнь. Я еще вернусь к этому в главе 19. Основное их утверждение заключается в том, что без углерода нас бы не было. Но существование такого значительного количества углерода требует тонкой настройки звезды и ядерного резонанса, а то и другое опирается на фундаментальные законы физики. Позже Хойл развил эту идею:

«Должно быть, свойства углеродного атома разрабатывал какой-то сверхрасчетливый разум, в противном случае мои шансы найти такой атом через слепые силы природы были бы совершенно ничтожны. Интерпретация фактов при помощи здравого смысла подсказывает, что какой-то сверхразум поиграл с физикой, а также с химией и биологией и что в природе вообще не существует слепых сил, о которых бы следовало говорить».

Звучит замечательно, и, разумеется, это не может быть простым совпадением. Оно и не является таковым, но разум развенчивает теорию тонкой настройки. У каждой звезды имеется собственный термостат — петля отрицательной обратной связи, в которой температура и реакция регулируют друг друга, поддерживая состояние равновесия. «Тонко настроенный» резонанс в тройной гелиевой реакции должен поражать нас не более, чем тот факт, что пламя при сгорании угля характеризуется ровно той температурой, которая и нужна для горения угля. Именно так ведет себя горящий уголь. Мало того, это не более поразительно, чем то, что наши ноги по длине в точности таковы, чтобы доставать до земли. Это тоже петля обратной связи между мышечным усилием и силой тяготения.

Со стороны Хойла было немного неспортивно сформулировать это предсказание в терминах человеческого существования. Ведь главное-то здесь в том, что во Вселенной слишком мало углерода. Конечно, поразительно уже то, что красные гиганты и атомные ядра в принципе существуют, что они производят углерод из водорода и что некоторая часть этого углерода в конечном итоге оказалась у нас внутри. Но это совсем другие вопросы. Вселенная бесконечно богата и сложна, в ней происходят всяческие чудеса. Но нам не следует путать результаты с причинами и воображать, что цель Вселенной состоит в том, чтобы сотворить род человеческий.

Единственная причина, по которой я упомянул здесь об этом (помимо общей неприязни к преувеличенным заявлениям о «тонкой настройке»), состоит в том, что вся эта история потеряла смысл после открытия нового способа образования углерода в звездах. В 2001 году Эрик Фигельсон с сотрудниками открыл 31 молодую звезду в туманности Ориона. Все они по размеру примерно соответствуют Солнцу, но при этом чрезвычайно активны и производят рентгеновские вспышки, которые раз в сто превосходят по мощности нынешние солнечные вспышки и происходят раз в сто чаще. Протоны в этих вспышках обладают достаточной энергией, чтобы порождать всевозможные тяжелые элементы в окружающем звезду пылевом диске. Так что для получения этих элементов вовсе не нужна сверхновая. Это подсказывает, что нам следует пересмотреть все расчеты, касающиеся происхождения химических элементов, в том числе и углерода. Не исключено, что некоторые эффекты кажутся нам невозможными просто из-за недостатка воображения. Пропорции, которые представляются нам правильными, могут сильно измениться, если присмотреться к ним повнимательнее и подумать как следует.