Стивен Хокинг - Великий замысел

• Название: Великий замысел
• Автор: Стивен Хокинг
• Жанр: Физика
• Год: 2010
• ISBN: 9780553805376

Все мы существуем лишь непродолжительный период времени и на его протяжении способны исследовать лишь небольшую часть мироздания. Но люди — существа любопытные. Мы задаемся вопросами, мы ищем на них ответы. Живя в этом огромном мире, который бывает то добрым, то жестоким, и вглядываясь в бесконечное небо, люди постоянно задаются множеством вопросов: Как мы можем понять мир, в котором оказались? Как ведёт себя Вселенная? Какова природа реальности? Откуда всё это возникло? Нуждалась ли Вселенная в создателе? Многие из нас не тратят много времени на эти вопросы, но почти все из нас когда-либо об этом задумывались.

Один из самых известных ученых нашего времени — Стивен Хокинг написал книгу, продолжающую тему, начатую в его предыдущих книгах. Хокинг ставит вопросы, на которые потом отвечает, прибегая к помощи последних достижений в области науки — Что положило начало существованию? Почему мы существуем? Почему законы физики именно такие, как они есть? Можем ли мы ответить на все эти вопросы, не прибегая к помощи «божественной интервенции»?

---

Первый шаг произошел, когда старые звезды начали аккумулировать гелий, который производится, когда два ядра водорода сталкиваются и соединяются друг с другом. Это слияние является причиной того, как звезды создают энергию, которая нас греет. Два атома гелия при соединении образуют бериллий — атом, чье ядро содержит четыре протона. После того как образовался бериллий, он может, в принципе, соединится с трех ядерным гелием, формируя углерод. Но этого не происходит, потому что изотоп бериллия, который образовался, почти мгновенно распадается, вновь образовывая ядро гелия.

Ситуация меняется, когда звезда начинает испускать водород.

Когда это происходит, ядро звезды коллапсирует, до тех пор, пока его температура не достигает примерно 100 миллионов градусов по Кельвину. При этих условиях, ядра сталкиваются друг с другом так часто, что некоторые бериллиевые ядра соединяются с ядрами гелия прежде, чем они должны были распасться. Бериллий затем может соединиться с гелием, чтобы образовать углерод, который стабилен. Но этому углероду еще очень далеко до формирования сложных соединений химических компонентов, которые могли бы восхищаться бокалами из Бордо, показывать фокусы с пламенем, выходящим из пальца, или задавать вопросы о Вселенной. Для существования жизни, такой как человеческая, углерод должен быть перенесен из недр звезды в подходящую среду. Это, как мы говорили, происходит, когда звезда в конце своего жизненного цикла взрывается, превращаясь в суперновую, изгоняя углерод и другие тяжелые элементы, из которых позже образуется планета.

Этот процесс образования углерода называется тройным альфа-процессом, потому что «альфа-частица» — другое название для ядра изотопа гелия, участвующего в реакции, и потому что этот процесс требует, чтобы три из них (в конечном счете) соединились вместе. Обычно физики полагают, что время образования углерода с помощью тройного альфа-процесса должно быть очень маленьким. Обращая на это внимание, в 1952 году Хойл предположил, что сумма энергий ядер бериллия и гелия должны почти совпадать с энергией определенного квантового состояния образованного изотопа углерода, что получило название резонанса, который значительно увеличивает время ядерной реакции. В то же время еще не были известны значения такой энергии, но основываясь на предположении Хойла, Уильям Фаулер из Калифорнийского технологического института искал и нашел его, подтвердив точку зрения Хойла на то, как образовываются сложные ядра.

Хойл писал: «Я не верю, что любой ученый, исследовавший свидетельство, оказался бы не в состоянии сделать вывод, что законы ядерной физики были преднамеренно спланированы с учетом последствий, которые они производят внутри звезд». В то время еще никто не разбирался достаточно хорошо в ядерной физике, что бы понять ту степень прозорливости, которая привела к созданию этих точных физических законов. Но, изучая обоснованность сильного антропного принципа, в последние годы физики начали сами себе задавать вопрос: какая бы была Вселенная, если бы законы природы были другими? Сегодня можем создавать компьютерные модели, которые показывают нам, как скорость тройной альфа-реакции зависит от стабильности фундаментальных сил природы. Такие вычисления показывают, что изменение на 0,5 % значения сильного ядерного взаимодействия, или на 4 % электрических сил, разрушит почти весь углерод и весь кислород на каждой звезде, а следовательно и возможность жизни, в том виде, которую мы имеем. Измените эти правила нашей Вселенной хоть на немного, и условия для нашего существования исчезнут.

Анализируя модель Вселенной, мы понимаем, когда теория физики меняется некоторым образом, можно понять эффект от изменения физических законов в методическом плане. Оказывается, что это не только величины сильного ядерного и электромагнитного взаимодействия, которые призваны упорядочить наше существование. Большинство фундаментальных констант в нашей теории являются точно отрегулированными, в том смысле, что если бы они были изменены на небольшое значение, Вселенная была бы совершенно другой, и во многих случаях, неприспособленной к возникновению жизни. Например, если бы другое ядерное взаимодействие — слабое взаимодействие — было бы еще слабее, в ранней Вселенной весь водород превратился бы в гелий, и, следовательно, не существовало бы нормальных звезд; Если бы они были наоборот сильнее, взрывы суперновых не выбрасывали бы их в пространство, и, следовательно, не произошло бы образования планет из тяжелых элементов, требующихся для зарождения жизни. Если бы протоны были на 0,2 % тяжелее, они распались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. Если бы сумма масс тех типов кварков, из которых состоят протоны, была бы уменьшена на 10 %, то было бы намного меньше стабильных атомных ядер, из которых мы состоим; суммарная масса кварков кажется примерно оптимизирована для существования большого количества стабильных ядер.

Если допустить, что несколько сотен миллионов лет на стабильной орбите необходимо, чтобы развиться жизни на планете, число пространственных измерений также является фиксированным. Потому, что в соответствие с законом гравитации, только в трехмерном измерении возможны стабильные эллиптические орбиты. Круговые орбиты возможны в других измерениях, но они, как предчувствовал Ньютон, нестабильны. Если в трехмерном измерении любое возмущение, такое как столкновение с другой планетой, выведет планету из круговой орбиты поведет ее по спирали либо к Солнцу, либо от него, и тогда мы либо сгорим, либо замерзнем. А в более чем трехмерное измерениях гравитационные силы между двумя телами будут уменьшаться более быстро, чем это происходит в трехмерном. В трехмерном измерении гравитационные силы уменьшаются до 1/4 от своего значения, если расстояние увеличивается вдвое. В четырехмерном измерение они уменьшаются до 1/8, в пятимерном — до 1/10, и т. д. В результате, в более чем трехмерное измерении Солнце не могло бы существовать в стабильном состоянии, со своим внутренним давлением, связанным силой гравитации. Оно либо разорвалось на куски или сжалось в черную дыру, что повлекло бы к нашей гибели. Применительно к атомам, электронные силы вели бы себя точно так же, как и гравитационные. Это означает, что электроны в атомах будут либо удаляться от ядра, либо приближаться к нему. В любом случае, атомы не были бы такими, какими мы их знаем.

Вероятность появления сложной структуры, способной поддерживать разумную жизнь, была очень незначительна. Законы природы формируют систему, которая очень точно отрегулирована, и только допускаются самые незначительные изменения в физических законах, которые не повлекут за собой разрушение возможности развития жизни, какую мы имеем. Не было бы ряда первоначальных совпадений в точных деталях физических законов, не было бы и человечества или похожих форм жизни.

Большинство впечатляющих выверенных совпадений включены в так называемую космологическую константу[16] уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Как мы говорили, в 1915 году, когда он сформулировал теорию, Эйнштейн считал, что Вселенная статична, т. е. ни расширяющейся, ни сжимающейся. Так как любая материя притягивает другую материю, он включил в свою теорию новую антигравитационную силу, чтобы запретить Вселенной коллапсировать самой в себя. Эта сила, отличная от других сил, не была получена из каких-либо частных источников, но была встроена именно в систему пространства-времени. Космологическая константа указывает на величину этой силы.

Но когда было открыто, что Вселенная не статична, Эйнштейн исключил космологическую константу из своей теории и назвал ее величайшей своей ошибкой. Но в 1998 году наблюдение за очень далекими суперновыми показало, что Вселенная расширяется с ускорением, которое не возможно без некоторого рода отталкивающей силы, действующей сквозь пространство. Космологическая константа получила второе рождение. Как мы теперь знаем, ее значение отлично от нуля, вопрос остается, почему она имеет такое значение, какое она имеет. Физики объяснили, как это могло произойти благодаря квантово-механическому эффекту, но значение, которое они смогли вычислить является числом на 120 порядков (единица со 120 нулями) больше, чем действительное значение, полученное наблюдением за суперновой. Это означает, что либо принципы, примененные в вычислениях, были ошибочными, либо существую еще другие факторы, которые чудесным образом отменяют все, кроме невообразимо маленького значения вычисленного числа. Но одно определенно, что если значение космологической константы много больше, чем это, то наша Вселенная разорвалась бы на куски, прежде, чем могли бы сформироваться галактики — и жизнь, которую мы знаем, была бы не возможна.

Как мы можем интерпретировать эту уникальность? Невероятность в точности форм и природы фундаментальных физических законов является удачей из удач, которую мы находим в окружающем мире. Это не легко объяснить, и это имеет более глубокий физический и философский смысл. Наша Вселенная и ее законы, кажется, созданы по проекту, и они предназначены, чтобы поддерживать нас, и, если мы существуем, оставляет маленькую возможность для изменений. Это нелегко объяснить, и возникает вопрос: почему это так?