Точная настройка мира

Точная настройка мира

Начнем с числа измерений нашего мира, которое тоже можно рассматривать как фундаментальную константу. Все мы хорошо представляем, что наше пространство трехмерно: для того чтобы точно задать положение тела, надо знать три числа – скажем, широту, долготу и высоту относительно Земли. Другим фактом, отражающим трехмерность нашего пространства, является то, что через одну точку можно провести ровно три взаимно ортогональные прямые. Строго говоря, необходимо также задать момент времени, когда тело находилось в данной точке, – тогда мы приходим к понятию четырехмерного пространства-времени. Но в дальнейшем мы не будем обращать внимания на эту тонкость и будем говорить о числе пространственных измерений.

Еще древние греки заметили, что геометрия двумерного и трехмерного пространств различна. Так, в двух измерениях существует бесконечное количество правильных многоугольников, а в трехмерном мире – всего пять правильных многогранников[8]. Из этого факта они делали вывод о красоте и гармоничности трехмерного пространства, а в красоте древние греки знали толк. Возникает вопрос, а что было бы (кроме отсутствия гармонии в понимании древних греков), если бы наше пространство не являлось трехмерным? Дело в том, что законы физики, то есть уравнения, о которых говорилось выше, без труда переносятся на любое число измерений. Более того, с одной стороны, справедливость этих уравнений проверена экспериментально в двумерных системах, таких как графен. А с другой стороны, некоторые современные теории, например теория суперструн или М-теория, могут быть непротиворечивым образом сформулированы в десяти– или одиннадцатимерном пространстве-времени.

«Уравнения физики красивы хотя бы потому, что они короткие. Уравнение Эйнштейна, занимающее одну строчку, описывает все в нашей Вселенной».

Максим Либанов

Рассмотрим одномерный случай, например прямую. На прямой практически любое движение двух и более тел приводило бы к столкновениям. Вряд ли в такой системе могли бы появиться сложные формы организации материи, такие как жизнь. Шуточным аргументом против существования жизни в двумерном пространстве является следующее наблюдение. У высокоорганизованных двумерных животных пищеварительный тракт должен начинаться и заканчиваться в одном месте. В противном случае животное было бы разделено на две не связанные друг с другом части. По этой же причине у такого животного были бы проблемы с кровообращением. Еще одним, более серьезным аргументом против двумерной жизни является то, что в четном числе измерений у распространяющейся волны нет четкого заднего фронта (эффект реверберации). Это привело бы к тому, что двумерное существо слышало бы не последовательный набор звуков (слов), как мы, а наряду со вторым звуком слышало бы отголоски первого. Точно такие же проблемы возникли бы и с визуализацией (поскольку свет – это волна), да и с любым способом передачи информации посредством волн. Другими словами, в четном числе измерений были бы проблемы с коммуникацией, и вряд ли в таких условиях была бы способна появиться высокоорганизованная жизнь.

Более сильный аргумент – законы Ньютона и Кулона[9] в нашем мире. Со школы мы помним, что есть закон обратных квадратов: два тела (или заряда) притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Несмотря на то что уравнения, приводящие к этому закону, выглядят одинаково в любом числе измерений, решение этих уравнений, то есть сам закон, зависит от числа измерений. Так, в двумерном мире сила была бы обратно пропорциональна расстоянию (а не квадрату расстояния) между телами. Поразительным является тот факт, что только в случае выполнения закона обратных квадратов могут существовать стационарные орбиты планет и уровни электронов в атоме. Другими словами, в любом другом пространстве с числом измерений, отличным от трех, не существовали бы ни планеты, ни даже атомы, и жизнь вообще не смогла бы существовать и даже возникнуть. Нам с тремя измерениями повезло.

Шарль Огюстен де Кулон – 1736–1806 – Французский физик и инженер, сформулировавший закон взаимодействия электрических зарядов.

Попробуем теперь немного изменить другие физические константы. Мы знаем, что масса электрона намного меньше, чем масса нуклона. Вследствие такого соотношения электрон вращается по орбите вокруг ядра, которое практически покоится. Если массу электрона сделать порядка массы нуклона, то и электрон, и ядро будут вращаться относительно их общего центра тяжести. В результате не будет определенного положения ядра. В таком случае не было бы не только химиков и физиков, но и никого другого, потому что не было бы молекул. Существование молекул зависит от простого факта, что электрон намного легче нуклона.

Чтобы идти дальше, вспомним, откуда во Вселенной вещество. Согласно современным представлениям, все вещество во Вселенной было произведено в момент Большого взрыва – периода развития ранней Вселенной, характеризующейся огромной температурой и давлением. После Большого взрыва Вселенная начала расширяться и, подобно расширяющемуся газу, охлаждаться. Приблизительно через 300 секунд температура упала настолько, что стал возможен синтез легких элементов, таких как гелий, – произошел первичный нуклеосинтез. Было вычислено, что во Вселенной должно быть 75 % водорода и около 25 % гелия, что прекрасно согласуется с наблюдательными данными. Поразительно, что эти цифры получились за счет очень точной подстройки констант. Если константы были бы немного другими, то во Вселенной могло бы не оказаться водорода – он бы (почти) весь переработался в гелий. В такой Вселенной жизнь была бы невозможной.

Далее допустим, что массы нуклонов (протонов или нейтронов) отличались бы от известных значений на доли процента в большую или меньшую сторону, и посмотрим, как выглядел бы мир.

Известно, что протон стабилен[10]: его время жизни более 1030 лет. Это огромное число, гораздо больше возраста Вселенной, которой 10–15 млрд лет. Нейтрон, напротив, нестабилен. Свободный нейтрон распадается за 15 минут. Он распадается на протон, электрон и нейтрино, и происходит это за счет того, что масса нейтрона больше, чем сумма масс протона и электрона. Разность масс нейтрона и протона меньше, чем энергия связи нуклонов в ядре, за счет чего и существуют стабильные элементы – нейтрон не может распасться в ядре по энергетическим соображениям. Но если увеличить массу нейтрона всего на 1 %, разность масс окажется больше, чем энергия связи в ядре. Это означало бы, что нейтроны в ядрах были бы нестабильны – все ядра распались бы. Остались бы только ядра водорода – протоны. Вместо нашей разнообразной Вселенной мы получили бы просто водородный пузырь, в котором опять же жизнь была бы невозможна.

Если, напротив, уменьшить разницу в массах между протоном и нейтроном, то распад нейтрона станет куда менее вероятным. Тогда в ранней горячей Вселенной число протонов и нейтронов стало бы более или менее одинаковым. Из такой каши с большой вероятностью образовались бы ядра гелия. Гелий, как мы знаем, инертный газ – а значит, жить во Вселенной из гелия было бы скучновато. Звезды, которые могли бы в ней образоваться, были бы короткоживущими и, следовательно, не дали бы возможности зародиться жизни на окружающих их планетах (если бы такие смогли образоваться). Кроме того, в такой Вселенной не было бы водорода, столь необходимого для образования воды и органических кислот. Сложно представить, что в такой Вселенной была бы возможна жизнь.

А если еще увеличить массу протона, он станет тяжелее нейтрона и будет распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино. В мире останутся только нейтроны, которые не могут притягивать электроны. Не будет атомов, не будет химии, не будет химиков, не будет ничего. Таким образом, все разнообразие мира, каким мы его знаем, определяется очень точным подбором разницы масс протона и нейтрона.

Но откуда берутся такие удивительным образом подобранные константы, мы не знаем. Можно предположить, что это Великий Замысел Творца. А может быть, это фундаментальное свойство природы или счастливая случайность. Физики надеются (они почти уверены), что существует некая теория – теория суперструн или то, что называют М-теорией, – более фундаментальная, чем то, что мы имеем, и которая сможет ответить на эти вопросы, а все таким удивительным образом подобранные значения констант будут следствием некоторых простых симметрий.