Kitabı oku: «Космос для не космонавтов», sayfa 2
Насколько точно настроена Вселенная и подходит ли она для нас?
Люди склонны воспринимать окружающую действительность через призму антропного принципа, сильно упрощая её и, что важно, идеализируя. Отсюда берёт своё начало миф об уникальности жизни только на нашей планете и невероятном стечении обстоятельств для её появления. Тот факт, что мы не обнаружили инопланетную жизнь, свидетельствует лишь о том, что с технологической точки зрения человечество ещё недостаточно развито.
Мы не учитываем тот факт, что во многих аспектах нашей жизни людям приходится работать на пределе своих возможностей. Космическая деятельность – именно такой аспект. Мы воспринимаем как данность, например, наличие телескопа на орбите Земли. Но при этом забываем, насколько сложно не только его построить, но и работать с ним, о чём мы говорили в начале книги.
На сегодня дана бóльшая часть ответов на вопросы о разумном вмешательстве, ставившиеся ещё 150 лет назад. Но, как только одна часть человечества получает результат в поиске ответов, вторая пользуется тем, что новых вопросов появляется не меньше, да ещё и притягивает их к старым утверждениям.
На деле же стоит осознать пару несложных фактов. Во-первых, самая распространённая молекула в человеке – это молекулы воды. Она же является основой известной нам жизни и состоит из двух самых распространённых во Вселенной элементов. Так что возникновение жизни с этой точки зрения – не удивительное событие, а лишь следствие работы законов физики и химии. Во-вторых (на этом остановимся чуть подробнее), тонкую настройку Вселенной в работе этих законов на сегодня никто наглядно не показал, а её сторонники апеллируют, как правило, к эмоциям, чтобы вызвать у нас благоговение перед уникальностью Вселенной, «созданной» ради появления человека.
Предлагаю рассмотреть те несколько утверждений, которые имеют отношение к самой основе возникновения и поддержания жизни.
Силы, создающие звёзды
Первое, что можно услышать от адептов тонкой настройки Вселенной, – это то, что условия существования самих звёзд невероятно хрупкие. Так, по их мнению, если бы электромагнитная сила была слишком велика, то электрическое отталкивание протонов прекратило бы ядерный синтез внутри звёзд и они бы перестали светить. В обратном же случае – будь электромагнетизм слишком слабым – ядерные реакции вышли бы из-под контроля. В этом случае продолжительность жизни звёзд была бы слишком короткой для возникновения и, тем более, поддержания их жизни.
Сюда же приплетают и гравитацию. Тут всё просто: при слишком сильной гравитации звёзды сжимались бы в чёрные дыры, а при слабой – никогда бы не зажглись.
А как на самом деле?
А вот как – звёзды удивительно живучи и стабильны. Величина силы электромагнитного взаимодействия может изменяться в 100 раз в оба направления, прежде чем существование звезды будет поставлено под угрозу. Гравитация вообще может изменяться в пределах нескольких порядков по сравнению с силами электромагнитного взаимодействия.
В целом допустимые значения гравитационных и электромагнитных сил зависят от сил ядерных. Если скорость реакций была бы выше, звёзды могли бы функционировать даже при бóльшем диапазоне гравитационных и электромагнитных сил. Напротив, менее быстрые ядерные реакции сузили бы этот диапазон, оставив его, тем не менее, достаточно широким.
Сравнение размеров звёзд различного типа. Солнце на данном изображении слева и имеет размер в 1 пиксель
Получается, что величины фундаментальных сил могут изменяться в пределах нескольких порядков, а звёзды и планеты всё равно будут вписываться в заданные условия, автоматически подстраиваясь под них. Так что подобную настройку сложно назвать тонкой.
Углерод
После того как в ядрах среднего размера звёзд произошла ядерная реакция, преобразовавшая водород в гелий, сам гелий становится топливом этих звёзд. В результате сложной последовательности реакций гелий сгорает, образуя углерод и кислород. Из-за того что ядра гелия играют важную роль в ядерной физике, им даже дали специальное название: альфа-частицы. Наиболее распространённые ядра состоят из одной, трёх, четырёх или пяти альфа-частиц. Как можно заметить, ядрá с двумя альфа-частицами, бериллия-8, не существует, чему есть простое объяснение: он нестабилен.
Нестабильность бериллия и помогает, и создает трудность для образования углерода. Когда звёзды преобразовывают ядра гелия, чтобы они стали бериллием, ядра бериллия практически сразу начинают распадаться обратно на свои составные части. В любой момент ядро звезды содержит небольшое и неустойчивое количество бериллия. Эти редко встречающиеся ядра могут взаимодействовать с гелием для образования углерода. Поскольку в данном процессе принимают участие три ядра гелия, он называется тройным альфа-процессом. Физики выяснили, что эта реакция слишком медленная для производства того количества углерода, которое наблюдается во Вселенной.
Как была решена проблема?
Чтобы разрешить этот парадокс, физик Фред Хойл предсказал в 1953 году, что при определенной энергии у ядра углерода должно быть резонансное состояние. Благодаря этому состоянию скорость реакции образования углерода намного выше, чем могла бы быть. Она настолько высока, что это вполне объясняет большое количество углерода, найденное во Вселенной (Kragh, 2010).
Позже этот резонанс измерили в лаборатории с рассчитанным уровнем энергии. Чем не тонкая настройка, которую точно кто-то подкрутил?
Между тем с другими величинами сил энергия этого резонанса могла бы быть другой, и звёзды не производили бы достаточно углерода. Образование углерода нарушается, если уровень энергии меняется в пределах всего 4 %. Этой проблеме в своё время даже дали негласное название «Тройная альфа-наладка Вселенной».
Но и тут есть простое объяснение
Предположим, ядерная физика действительно изменилась настолько, что смогла нейтрализовать углеродный резонанс. В этом случае бериллий приобрёл бы стабильность, а углерод, напротив, производился бы более логичным способом – путем добавления альфа-частиц по одной. Поэтому потеря резонанса не имела бы значения. Гелий смог бы преобразоваться в бериллий, который потом вошёл в реакцию с альфа-частицами для образования углерода. Проблемы наладки в этом случае вообще нет.
Что мы имеем в итоге?
Очевидно, что параметры, которые определяют строение звёзд и их эволюцию, далеко не очень точно настроены. Параметры Вселенной могли бы меняться в очень широких диапазонах: сила притяжения может быть в тысячи раз сильнее или слабее, значения электромагнитных сил могут варьироваться в чуть меньшем, но по-прежнему очень широком диапазоне.
Я не упоминал о скоростях ядерных реакций, а также о формировании тяжёлых элементов в недрах звёзд, которые обладают такими же огромными диапазонами изменчивости. Тому имеется экспериментальное подтверждение, которое напрочь исключает возможность применения теории тонкой настройки.
Исходя из того, что я уже рассказал, можно легко представить и гораздо более дружелюбную и даже более логичную Вселенную. Так, например, во Вселенной со стабильным бериллием могли бы существовать прямые каналы производства углерода, и ей бы не потребовалась сложная тройная гелиевая реакция. Сегодня мы понимаем, что у Вселенной много путей развития сложных структур и биологии. Получается, что она оставила себе серьёзный «запас» своих же свойств, чтобы «подстроиться», если вдруг что-нибудь пойдёт не так. Возможно, что-то действительно пошло не так, раз мы видим более лёгкие пути для формирования того, что нам известно.
Наш мозг не готов осознать вероятность существования инопланетной жизни
После того как ознакомитесь с этим подразделом, вы поймёте, почему я решил описать именно эту проблему после объяснения «тонкой настройки» Вселенной и перед её расширением.
Эволюционно мы заточены на выживание в замкнутой среде, и нам нет никакого дела до масштабов Вселенной. Точнее, мы просто не приспособлены для их осознания, и нам приходится делать для этого немалые усилия. При этом эволюция – процесс очень медленный, а изменения в окружающем нас мире происходят во всё нарастающем темпе. Говоря проще, социум развивается быстрее, чем эти изменения «записываются» в наш геном, то есть быстрее, чем мы можем приспособиться. Многие учёные именно с этим связывают нашу неспособность сдержаться от загрязнения окружающей среды, убийства себе подобных и прочих «животных» привычек.
А теперь пройдёмся по нашему стремлению быть уникальными
В галактике Млечный Путь содержится от 200 до 400 млрд звёзд. По современным оценкам (очень даже точным), от 10 до 20 % из них могут иметь планеты, пригодные для жизни. В видимой Вселенной – от 100 до 500 млрд галактик. Итого получаем (по самым минимальным оценкам) 2 млрд триллионов пригодных для жизни планет.
Предлагаю опустить тот факт, что сигнал от планеты к планете может идти несоизмеримо дольше, чем продолжительность жизни отдельно взятого человека. Допустим, если учёные некой «продвинутой» цивилизации, находящейся на планете в 65 млн световых лет от нас, соорудят невероятно мощный телескоп и посмотрят через него на нашу планету, то они увидят… динозавров! Но это совершенно отдельная тема.
Даже если вероятность зарождения жизни на «подходящей» (в нашем понимании) планете составляет всего лишь одну стоквинтилионную долю (восемнадцать нулей после запятой), то во Вселенной будет как минимум одна планета с жизнью земного типа. Мы как раз на ней и живём. Это так называемый антропный принцип: только в мире, где все условия подходят для появления разумного наблюдателя, может появиться такой наблюдатель, который начнёт удивляться тому, как все условия так замечательно для этого подходят. Во всех остальных мирах удивляться просто некому. Хотя на самом деле наблюдатель – это следствие развития условий, а не причина для их развития.
В обыденной жизни события с такой низкой вероятностью воспринимаются как абсолютно невозможные. Однако в масштабах Вселенной они практически неизбежны.
Из этого утверждения следует, что во Вселенной существует ещё как минимум одна цивилизация, достигшая того же уровня развития, что и наша. Только она не способна до нас достучаться в виду непостижимых расстояний.
Поэтому, в отличие от многих других биологических проблем, для решения проблемы происхождения жизни достаточно обнаружить даже крайне маловероятный механизм (абиогенез – самозарождение жизни), который считается таковым исключительно из-за ограниченности нашего восприятия окружающего мира.
А сейчас приготовьтесь будоражить своё сознание. Если верна концепция инфляционной космологии, о которой сказано выше, то «число попыток» зарождения жизни на той или иной планете стремилось бы к бесконечности.
В таком случае разумные существа, возникшие где-то во Вселенной, могли бы видеть историю жизни на своей планете как последовательность совершенно необъяснимых чудес, что не противоречило бы теории абиогенеза.
Именно благодаря науке история жизни на Земле всё меньше похожа на цепочку невероятных чудес, что делает практически неизбежным возможность найти жизнь на других планетах.
С каждым днём, открывая всё более простые и высоковероятные способы абиогенного синтеза органики, поэтапного развития белкового синтеза и т. п., учёные не столько добывают новые доказательства принципиальной возможности абиогенеза (уже и так понятно, что он возможен), сколько последовательно и неуклонно подводят нас к необходимости искать разумную жизнь на других планетах.
Противники самозарождения жизни (в том числе и представители различных религиозных конфессий), как правило, ссылаются на три, по их мнению, неоспоримых факта, говорящих в их пользу. Но, к сожалению для них, наука и здесь взяла своё (Мазур, 2010):
1. Так, абиогенный синтез простых органических соединений они считали невозможным. На сегодня известно, что с этим нет проблем.
2. Затем эти противники перескочили на абиогенный синтез сложных органических соединений («кирпичиков» жизни). Но тут уже практически всё на стороне самозарождения – основные проблемы почти решены, попутно сделаны «фантастические» открытия.
3. И, наконец, они стали отрицать механизм репликации и наличие самих репликаторов (РНК и т. п.). Конечно, здесь проблем по части доказательств ещё много, но они постепенно и систематически решаются. К тому же с учётом того, что первые два факта были успешно доказаны, сомнений в том, что будет доказан и третий, в общем-то, нет.
После окончательного решения описанных проблем всё становится намного проще, так как начинает работать «дарвиновский» эволюционный механизм – наследственность, изменчивость, отбор.
Вывод, следующий из этой главы, достаточно простой. Пока мы не научимся мыслить масштабами Вселенной, дальше восприятия, заложенного в нас эволюцией и сформированного в условиях нашей планеты, нам не сдвинуться.
Куда и почему расширяется Вселенная?
А теперь о расширении Вселенной (Aysgarth, 2017).
Проблема в том, что расширение Вселенной многие воспринимают буквально, то есть как процесс увеличения объёма. Суть в том, что восприятие окружающего мира человеком сильно ограничено евклидовым пространством, а расширение Вселенной – это вообще процесс изменения метрики, то есть в нашем понимании она никуда не расширяется. Если представить, что за пределами Вселенной находится наблюдатель, способный визуально воспринимать информацию, он сможет увидеть что-то похожее на то, как растягивается воздушный шарик, когда его надувают. Ну а две разные точки на двумерной поверхности этого «шарика» просто медленно отдаляются друг от друга.
Разница в том, что во Вселенной четыре измерения. Если, конечно, не окажется, что верна теория струн и измерений на самом деле 10 или 26. Но нам бы и с четырьмя ужиться.
Эйнштейн ввёл в ОТО космологическую постоянную (лямбда-член), которая позволяла установить стационарность Вселенной в уравнениях (Линде, 1990).
Несмотря на то что про стационарность Вселенной все потихоньку забывают, космологическая постоянная по-прежнему применяется во всех частных случаях. Например, в астрономии и в инженерных приложениях. Таких, как системы спутниковой навигации.
Что было до и будет после?
Вопрос о том, что было до возникновения Вселенной, лишён смысла. Ведь сам предлог «до» подразумевает предшествование во времени, а возникновение Вселенной (сюрпри-и-из!) совпадает с возникновением времени.
Точно так же лишён смысла и вопрос о том, куда расширяется Вселенная. Потому что какого-то пространства, в которое происходит это расширение, нет. Сама Вселенная и есть пространство. Она просто расширяется, и это факт, который надо принять, так как он доказан.
Другой вопрос, что скорость расширения Вселенной поступательно возрастает, и интересно, к чему это приведёт в итоге. То ли причина в воздействии тёмной энергии, играющей роль антигравитации (которая проявляется лишь на колоссальных расстояниях), то ли это просто свойство Вселенной.
Непостоянная постоянная
Тут надо сделать отступление и рассказать вкратце о постоянной Хаббла – коэффициенте, входящем в закон Хаббла. Данный закон связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления, то есть описывает ускорение расширения Вселенной.
На сегодня существует два способа расчёта постоянной Хаббла. Согласно первому, основанному на методе «стандартных свечей» (Yijung Kang, 2020), Вселенная расширяется с ускорением в 74 км/с на один мегапарсек. Второй способ, основанный на измерениях уровня реликтового излучения, даёт величину постоянной Хаббла около 67,4 км/с на один мегапарсек. Независимо от количества и качества исследований, основанных на каждом из этих способов, разница всегда одна и та же. Именно эта разница чаще всего служит поводом для разговоров о «новой физике». Причём в пользу её существования учёные стали более активно высказываться, когда появились данные о микроволновом фоне с космической обсерватории Планк. Эти данные в очередной раз подтвердили разницу.
Почему это так важно?
Определение ускорения (или даже просто его наличия), с которым расширяется Вселенная, имеет первостепенное значение для понимания её энергетического баланса или проверки ключевых компонентов стандартной космологии, таких как обоснованность общей теории относительности на космологических масштабах.
Лукас Ломбрайзер – профессор кафедры теоретической физики университета Женевы – в одной из своих работ утверждает, что согласовать разницу в получаемых значениях постоянной Хаббла можно в том случае, если наша Вселенная представляет собой «пузырь» с пониженной плотностью материи относительно внешнего пространства (Lucas Lombriser, 2020).
По его расчётам, для согласования получаемой разницы постоянной Хаббла при размере нашего «пузыря» около 250 млрд световых лет в диаметре плотность материи в нём должна быть вдвое ниже средней плотности внешней части Вселенной.
В целом эта работа может быть подтверждением в пользу хаотической теории инфляции, согласно которой мы живём лишь в одном из множества пузырей, что очень интересно. Но это уже отдельная тема.
