Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно

Постигая тайну

В физике загадка того, почему случайно созданная Вселенная так хорошо устроена, называется проблемой тонкой настройки. Но прежде чем переходить к науке, стоит поискать подсказки в чем-то более древнем: в мифах о сотворении мира. Несмотря на то, что у каждого народа своя история творения, все они делятся на две группы. Первая – легенды, которые объясняют создание мира через знакомые действия, через то, что могут делать люди. Например, один индийский миф гласит, что силы света и тьмы создали мир, взбивая горой Меру молочный океан до тех пор, пока из него не получилось масло.

Легенды второго типа трактуют творение противоположным способом – как нечто тайное, совершенно сверхъестественное. Такова иудео-христианская история творения, описанная в Книге Бытия: Яхве начинает с полной пустоты и волшебным образом создает из нее свет, небеса, землю и все сущее на ней. Ничего похожего на обычную жизнь, ничего подобного тому же сбиванию масла. Современная космология больше похожа на Книгу Бытия: она полагает, что Вселенная возникла, когда что-то появилось из ничего. Назвать ее появление магическим или сверхъестественным было бы оскорблением для науки, так что назовем его загадочным, хотя это и было бы преувеличением века.

Творение очень велико. Вселенная простирается на 10 миллиардов световых лет во всех направлениях, насколько может видеть глаз или телескоп. Вот как далеко ушел свет после Большого взрыва! Когда Вселенная-ребенок росла, она делала это не беспорядочно.

Она создавала себя по определенным правилам, известным как константы природы, по правилам, которые могут быть сформулированы с помощью математических выкладок. Некоторые из этих констант – скорость света и постоянная сила тяжести – уже упоминались в книге.

Константы создают порядок в природе подобно старомодным матерям, которые считали своим долгом ставить ужин на стол в одно и то же время. Проблема в том, что и константы должны были откуда-то появиться, а единственное доказуемое «откуда-то» – Большой взрыв, который был полностью хаотичным, пока все внезапно не упорядочилось. Как если бы столяр взорвал бомбу в своей мастерской и сказал: «Не волнуйтесь. Взрыв создаст буфет в стиле „чиппендейл“ сам по себе. Просто подождите». Очевидно, что помимо ожидания не только столяру, но и Вселенной понадобилось бы нечто большее, но что?

Нельзя не согласиться с тем, что тонкая настройка существует. Слишком много или слишком мало силы тяжести, слишком много или слишком мало массы, слишком много или два небольших электрических заряда – все это привело бы к тому, что новорожденная Вселенная либо рухнула бы сама по себе, либо разлетелась бы слишком быстро, не успев образовать атомы и молекулы. Идем дальше, жизнь на Земле была бы невозможна без множества космических совпадений: к примеру, аминокислоты, строительный материал для белков, по-видимому, существовали еще в межзвездной пыли. Более того, упомянутые «слишком мало» и «слишком много» могли измеряться и миллионными, и даже миллиардными долями процента.

Нельзя не согласиться и с тем, что нужно выяснить, откуда пришли константы природы. Точные математические законы управляют четырьмя основными силами: силой тяжести, электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Например, постоянная, применяемая при измерении силы тяжести, остается неизменной, где бы вы ее ни изменяли – в отдаленных отдельных точках, например на Марсе, или на дальней звезде в световом году от Земли, вне зависимости от того, насколько они не похожи. Опираясь на константы, земные физики могут мысленно путешествовать в самые отдаленные уголки пространства и времени.

Когда они это делают, возникают неожиданные совпадения. Например, в глубоком космосе взрыв самых больших звезд, массивных сверхновых, – явление, которое можно наблюдать с помощью мощных телескопов с Земли или ее орбиты. Взрывы сверхновых, произошедшие миллиарды лет назад, ответственны за формирование всех существующих тяжелых элементов, таких как кальций, фосфор, железо, кобальт и никель. Атомы этих элементов сначала были разрозненной межзвездной пылью, но гравитация заставила их соединяться друг с другом, и в конце концов они попали внутрь древней солнечной туманности, а из нее образовались все планеты, в том числе и наша. Железо, которое делает вашу кровь красной, ведет свой род от сверхновой, которая саморазрушилась эоны назад. Специфика взрыва определяется слабой силой, существующей в бесконечно малом масштабе атомного ядра. Если бы эта сила была слабее на 1 % или около того, ни взрывов сверхновых, ни образования тяжелых элементов, ни, следовательно, жизни, какой мы ее знаем, не было бы. Константа, определяющая слабую силу, должна была быть именно такой, какова она есть.

Рассмотрим некоторые конкретные случаи тонкой настройки на уровне повседневной реальности, где материя удобно скомпонована из атомов и молекул. Свойства, называемые «постоянной тонкой структуры», определяют свойства этих атомов и молекул. Это отвлеченное число, примерно 1/137. Если постоянная отличалась бы от имеющейся всего на 1 %, то не было бы атомов или молекул, какими мы их знаем. Постоянная тонкой структуры, связанная с жизнью на Земле, определяет, как поглощается солнечная радиация в атмосфере Земли и как в зеленых растениях происходит процесс фотосинтеза.

Солнце испускает лучи преимущественно в той части спектра, где атмосфера Земли прозрачна для них. Проблема в том, что солнечное излучение определяется величиной гравитационной постоянной. Почему макроскопическая величина, а именно сила тяжести, должна быть такой, чтоб излучение в нужной части спектра могло поглощаться растениями? Нужная для передачи света в атмосфере длина волн, способных привести свет на поверхность Земли, определяется постоянной тонкой структуры, которая применима в микроскопическом масштабе.

Нет никакой определенной причины, по которой две отдельные константы – управляющая сверхбольшими вещами и управляющая сверхмалыми вещами – должны быть взаимосвязаны. Примерно так же выглядело бы чье-нибудь «открытие», что отпечатки пальцев ребенка могут рассказать вам, вырастет ли из него нейрохирург. Но если эти две константы не были бы взаимосвязанными, не было бы и той жизни, какую знаем мы. Проблема тонкой настройки была обоснованно названа одним из наибольших затруднений физики. Впрочем, и биологии тоже: жизнь так же зависит от хрупкого баланса констант. Фактически, тонкую настройку довела до высшей точки та самая невозможность Вселенной, приведшая к появлению жизни на Земле. Для возникновения ДНК потребовалось бы слишком много совпадений, начиная с самого Большого взрыва. Теоретики стали выяснять, являются ли эти совпадения в действительности чем-то другим, индикатором того, что не замечена некая глубинная связь. Ключи к этой скрытой связи – подозрительно точно настроенные константы. Впрочем, многие другие совпадения ведут к тем же мыслям.

Выяснение того, почему Вселенная так тонко настроена, занимает многих космологов, и определенному их контингенту уже давно неудобно приписывать рождение Вселенной чистой случайности. Вот знаменитая цитата из высказываний известного британского астронома Фреда Хойла (1915-2001 гг.):

«На свалке лежат все детали „Боинга-747“, порознь и в беспорядке. Через двор проносится вихрь. Какова вероятность того, что после этого на свалке будет стоять собранный „Боинг“, готовый к взлету? Она столь мала, что можно пренебречь ею, даже если торнадо пронесется через свалку размером со Вселенную».

Для большинства практикующих физиков аналогия Хойла не выдерживает критики, так как уравнения, лежащие в основе квантовой механики, и их огромная прогностическая сила определяют работу и случайностей, и неопределенности. Тем не менее объяснение того, почему константы так точно настроены, бросает вызов текущим знаниям. Существует даже интригующая возможность того, что отлаженность констант необходима для существования людей. Что, если случайность тут вовсе ни при чем?