Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

Эйнштейн однажды сказал: «Что меня действительно глубоко интересует, так это — мог ли бог создать мир иным?» Великий физик часто словом «бог» называл природу, поэтому мы должны понимать это высказывание, как вопрос о том, могла ли окружающая нас Вселенная быть устроена иначе. Подобные вопросы раньше было «не принято задавать», а теперь это область исследования современной физики и астрономии.

Проблему можно сформулировать следующим образом. Что было бы, если бы законы физики были иные? Например, что произойдет, если изменить заряд электрона (и протона) в несколько раз или, скажем, изменить массу электрона? Вероятный ответ может быть таким. От величины заряда зависит сила притяжения между протоном и электроном, от массы электрона зависят особенности его движения в связанных состояниях в атомах. Значит, указанные изменения приведут к тому, что изменится размер атомов, а, значит, и размер окружающих нас тел. Если изменения свойств электрона будут небольшими, то и окружающие предметы тоже изменятся не сильно.

Аналогичный ответ следует, на первый взгляд, ожидать и на вопрос о том, что произойдет, если изменить значение постоянной тяготения G. При этом, очевидно, изменится сила тяготения для тех же масс. От этой силы зависит темп эволюции небесных тел, их размеры. Значит, изменятся и они. И опять, если изменения постоянной тяготения будут не очень большие, то и вариации свойств небесных тел также окажутся малыми.

Казалось бы, подобные ответы ожидаются и на вопросы об изменении других физических констант. Общий ожидаемый ответ, по-видимому, состоит в том, что мысленный опыт по сравнительно небольшому изменению физических констант сопровождался бы соответствующим небольшим количественным изменением в окружающем мире. Качественных же глубоких изменений во Вселенной при таких вариациях констант произойти не должно.

Анализ показывает, что это заключение оказывается совершенно неверным.

Для примера можно рассмотреть простейший атом водорода. Этот атом может существовать неограниченно долго, если его не подвергать внешним воздействиям. Электрон и протон в нейтральном атоме не вступают в реакцию с образованием нейтрона и нейтрино, несмотря на то, что есть отличная от нуля вероятность для электрона находиться в месте расположения протона. Однако, подобная реакция происходит при столкновении электронов с большой энергией с протонами. Невозможность реакции в нейтральном атоме обусловлена недостатком энергии. Сумма масс покоя электрона и протона меньше, чем масса нейтрона. Недостаток составляет E ≈ 0,8 МэВ. Если вообразить, что масса электрона m eравна не 0,5 МэВ, а превышает разность масс нейтрона и протона Δm =1,3 МэВ, то реакция образования нейтрона станет возможной. Например, если бы масса электрона те была бы равна 2 МэВ, то нейтральный атом водорода просуществовал бы всего 30 часов. Таким образом, для длительного существования атома водорода необходимо, чтобы выполнялось неравенство m e< Δm. При неизменности массы электрона, но при уменьшении Δm до значений меньших те, получается тот же результат. Следует специально подчеркнуть, что требуемое уменьшение Δm для возможности реакции образования нейтрона в атоме водорода (всего требуется уменьшить Δm на 0,8 МэВ) совершенно ничтожно по сравнению с полной массой протона или нейтрона, которые порядка 1000 МэВ. Изменение массы этих частиц примерно на 10 -3их величины привело бы к катастрофическим последствиям — к отсутствию водорода в сегодняшней Вселенной. Но это означает отсутствие главного ядерного топлива для звезд. При ничтожной вариации массы элементарных частиц во Вселенной не было бы звезд главной последовательности, не было бы химических соединений, содержащих водород и жизнь в такой Вселенной, по-видимому, была бы невозможной.

Следовательно, малые вариации рассмотренных параметров ведут не к малым изменениям свойств небесных тел, а к качественным изменениям свойств Вселенной.

Приведенный пример не исключение, а скорее правило.

Для подтверждения этого рассмотрим свойства тяжелого водорода — дейтерия. В атомном ядре этого элемента (дейтоне) энергия связи частиц составляет E св= 2,2 МэВ. Тот факт, что эта энергия E свбольше, чем E = 0,8 МэВ, обусловливает стабильность дейтона. Нейтрону в ядре «энергетически невыгодно» распасться на протон, электрон и антинейтрино с разрушением дейтона. Следовательно, для стабильности дейтерия обязательно условие E св> E, что можно переписать в виде Δm < E св+ m е. К чему привело бы нарушение этого неравенства и, следовательно, нестабильность дейтерия? Несмотря на то, что дейтерия в природе очень мало (примерно одна стотысячная доля по массе от всего вещества), он играет очень важную роль. Дейтон является первым сложным атомным ядром в цепочке ядерных реакций, ведущих к образованию более тяжелых ядер. Такие реакции происходили и в самом начале расширения Вселенной, они происходят и сегодня в недрах звезд, в процессах, превращающих водород в гелий. Если бы дейтерия не было, то обычный путь образования элементов тяжелее водорода стал бы невозможен. А это снова привело бы к кардинальным качественным изменениям во Вселенной. Таким образом, для «стабильности свойств Вселенной» должны одновременно выполняться неравенства: m e< Δm < E св+ m e, что является довольно «тонкой настройкой» фундаментальных физических величин.