Терри Пратчетт - Наука Плоского Мира II: Земной шар

Здесь имеет место довольно любопытный резонанс, да и само слово «резонанс» подходит как нельзя кстати. В физике есть история о том, как во Вселенной образуется углерод. В некоторых звездах происходит особая ядерная реакция — «резонанс» между близкими энергетическими уровнями, дающий возможность получить углерод из более легких элементов. История гласит, что углерод не смог бы сформироваться без такого резонанса. Так вот, в законах физики, насколько мы их себе представляем, используется ряд «фундаментальных постоянных» — таких, как скорость света, постоянная Планка в квантовой механике и заряд электрона. Эти числа определяют количественную сторону физических законов, и любой выбор констант задает потенциально возможную Вселенную. Углерод, как оказалось, является неотъемлемой составляющей всех известных нам живых организмов. В итоге на свет появилась небольшая, но продуманная история под названием «антропный принцип»: нет смысла задавать вопрос, почему мы живем во Вселенной, где углеродный резонанс возможен благодаря подходящим значениям физических констант, потому что если бы это было не так, то не было никакого углерода, и некому было бы задавать вопрос.

История об углеродном резонансе создает яркое впечатление скрытого порядка во Вселенной и, на первый взгляд, многое объясняет — поэтому она встречается во многих научно-популярных книгах. Однако, если присмотреться повнимательнее, то мы увидим в этой истории прекрасную иллюстрацию притягательной силы такого убедительного, но все же ложного повествования. Когда история выглядит связной, даже заведомо самокритичные ученые могут упустить из виду вопрос, разбивающий ее в пух и прах.

Вот эта история. Углерод возникает в красных гигантах в результате довольно тонкой реакции ядерного синтеза, известной как тройной альфа-процесс. В этом процессе участвуют три ядра гелия [15] В простейшем представлении ядро — это относительно небольшая область в центре атома, состоящая из протонов и нейтронов. Электроны находятся от ядра на расстоянии и движутся вокруг него по «орбитам». Тройной альфа-процесс протекает в плазме, где атомы лишены электронов, поэтому в реакции участвуют только их ядра. Впоследствии, когда плазма начинает остывать, необходимое количество электронов присоединяется к ядрам. . Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. При слиянии трех ядер получается шесть протонов и шесть нейтронов, что как раз соответствует ядру углерода.

Что ж, это хорошо, вот только шансы тройного столкновения внутри звезды очень малы. Соударения двух ядер гелия происходят намного чаще, но все равно относительно редки. Весьма маловероятно, что пара столкнувшихся ядер в тот же самый момент испытает удар со стороны третьего ядра. Это все равно, что волшебники, играющие в пейнтбол. Время от времени шарик с краской попадает в волшебника с характерным « шмяком ». Но вы вряд ли будете делать ставку на то, что два шарика попадут в волшебника одновременно. Это означает, что синтез углерода должен происходить не сразу, а по шагам. Самый очевидный способ — это сначала соединить два ядра гелия, а затем присоединить третье ядро к тому, что получится.

Первый шаг осуществить легко, и в результате получается ядро с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами — это одна из форм бериллия. Однако эта конкретная форма существует лишь в течение 10–16 секунд, а мишень, в которую должно попасть третье ядро, очень мала. Шансы на столкновения оказываются чрезвычайно низкими — если бы углерод действительно возникал таким способом, то за все время существования Вселенной не образовалось бы даже крохотной доли того углерода, который имеется в наличии сейчас. В итоге тройные столкновения исключаются, и существование углерода остается загадкой.

Если только… мы ничего не упустили. И кое-что действительно есть. Слияние бериллия с гелием, в результате которого образуется углерод, произойдет намного быстрее и создаст намного больше углерода за заметно меньшее время, если энергия углерода окажется примерно равной суммарной энергии бериллия и гелия. Такое состояние примерного равенства энергий называется резонансом . В 1950-х Фред Хойл настаивал на том, что углерод не мог взяться из ниоткуда, и предсказал, что атом углерода должен обладать резонансным состоянием. Этому состоянию должна была соответствовать вполне определенная энергия, которая по его расчетам составляла около 7,6 МэВ [16] 1 МэВ равен миллиону электрон-вольт. Электрон-вольт (эВ) — это, очевидно, единица измерения энергии, хотя ее конкретное значение для целей настоящей книги роли не играет. Для справки: электрон-вольт — это энергия электрона при увеличении его потенциала на 1 вольт; 1 эВ = 1,6 x 10 -12 эрг. Говоря об энергии, мы имеем в виду ее избыток относительно «основного состояния», то есть состояния, в котором энергия электрона минимальна. Что такое эрг? Если вам это и правда интересно, то найдете сами. .

В течение десяти лет удалось обнаружить состояние с энергией 7,6549 МэВ. К сожалению, общая энергия бериллия и гелия оказалась на 4 % больше. В ядерной физике такая ошибка считается огромной.

Ой.

Однако чудесным образом эта ощутимая разница — именно то, что нам нужно. Почему? Да потому что избыток энергии, возникающий за счет температуры внутри красного гиганта, в точности компенсирует недостающие 4 % суммарной энергии бериллия и гелия.

Вот это да!

Эта замечательная история по праву принесла Хойлу немало «очков научной репутации». В то же время она сделала наше существование довольно хрупким. Если бы фундаментальные постоянные изменились, то вместе с ними изменилась бы и жизненно важная константа 7,6549 МэВ. Напрашивается вывод о том, что константы нашей Вселенной специально подобраны для создания углерода, что и правда делает его уникальным элементом. А также не менее заманчивый вывод о том, что такой выбор констант был сделан с целью обеспечить появление сложных форм жизни. Хойл таких выводов не делал, но многие другие ученые этому искушению поддались.

Звучит вполне разумно, так где же мы ошиблись? Физик Виктор Стэнджер назвал подобные доказательства «космифологией». А другой физик, Крейг Хоган, нашел в них слабое место. Дело в том, что приведенное доказательство опирается на независимость температуры красных гигантов и 4 %-й разности между уровнями энергии. Иначе говоря, оно подразумевает, что можно изменить фундаментальные константы, не повлияв на принцип работы красных гигантов. Это предположение начисто лишено смысла. Хоган отмечает, что «в структуре звезды имеется встроенный термостат, который автоматически регулирует температуру, чтобы обеспечить нужную скорость протекания реакций». Вот похожий пример: можно удивляться тому, что температура огня в точности соответствует температуре горения древесины, в то время как сама эта температура является следствием химической реакции горения. Подобные ошибки в анализе взаимосвязей природных явлений довольно характерны для рассуждений в духе антропного принципа.