Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

• Название: Эволюция Вселенной и происхождение жизни
• Автор: Пекка Теерикор
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2010

Сэр Исаак Ньютон сказал по поводу открытий знаменитую фразу: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни — описывает восхождение на эти метафорические плечи, проделанное величайшими учеными, а также увлекательные детали биографии этих мыслителей. Впервые с помощью одной книги читатель может совершить путешествие по истории Вселенной, какой она представлялась на всем пути познания ее природы человеком. Эта книга охватывает всю науку о нашем происхождении — от субатомных частиц к белковым цепочкам, формирующим жизнь, и далее, расширяя масштаб до Вселенной в целом.

«Эволюция Вселенной и происхождение жизни» включает в себя широкий диапазон знаний — от астрономии и физики до химии и биологии. Богатый иллюстративный материал облегчает понимание как фундаментальных, так и современных научных концепций. Текст не перегружен терминами и формулами и прекрасно подходит для всех интересующихся наукой и се историей.

---

Тем не менее существует один аспект, придающий разумной жизни космическое значение. Только сознательное, разумное существо может изучить Вселенную и понять ее естественные законы. Вероятно, через мыслительный процесс разумных существ Вселенная начинает познавать себя.

Разумные существа могут выявить связь между физическими законами и своим существованием, то есть определить те первичные условия, которые привели к их появлению во Вселенной. С этой точки зрения мы осознали, что наш тип жизни критически зависит от многих физических параметров — как в космическом масштабе, так и в локальном масштабе нашей планетной системы. Даже если жизнь есть результат космической химии, то эта химия и физика работают именно так, что способствуют возникновению и развитию жизни. Почти очевидно, что жизнь есть особый продукт космической эволюции Вселенной, а не локальное и случайное событие.

Если наряду с нашей Вселенной существуют и другие вселенные, с другими космическими постоянными и параметрами, то в них не должна возникать жизнь, или уж, по крайней мере, жизнь в них должна быть совершенно непохожа на нашу, земную. Мы не знаем, может ли жизнь в этих недоступных мирах быть разумной. Становится все более и более очевидным: раз мы такие, какие есть, то мы должны жить именно в такой Вселенной, как наша. Любой другой, хотя бы чуть-чуть отличающийся от нашего мир не дал бы нам ни малейшего шанса к существованию. Но означает ли это, что наша Вселенная именно такая, потому что у нее была цель сотворить такую разумную жизнь, как мы? Это было бы слишком эгоцентрично для нас, научившихся в результате коперниканской революции смотреть на себя как на пылинку в огромном космосе. Если законы и структура Вселенной отражают наше существование, то только лишь потому, что, будь они другими, нас бы здесь не было и некому было бы рассуждать об этом предмете. Этот так называемый антропный принцип довольно популярен среди ученых.

Так каковы же свойства нашей Вселенной, делающие возможной жизнь, и что особого потребовалось для появления разумной жизни? Когда мы знакомились с Солнечной системой, мы с интересом узнали, что Венера — «сестра Земли», — расположившись немного ближе к Солнцу, оказалась совершенно непригодной для жизни. То же и с Марсом: хотя, возможно, в прошлом он был пригоден для жизни, но сейчас это весьма недружелюбное для жизни место. С другой стороны, изучая земную жизнь, мы обнаружили «черные курильщики» на дне океана и даже области, расположенные глубоко под землей, где процветают архаичные микроорганизмы. Эти находки расширяют границы пригодных для жизни условий, особенно там, где существуют источники энергии и жидкая вода, например на спутниках планет-гигантов.

Огромный возраст Земли доказывает, что потребовался длительный срок, чтобы здесь возникла разумная, технологически развитая форма жизни. Одним словом, чтобы на планете появился разум, ей требуется достаточно долго обращаться вокруг своей звезды по стабильной орбите, давая возможность эволюции медленно двигаться вперед. Хотя уже обнаружено множество других планетных систем, ближайшие к звезде планеты-гиганты препятствуют существованию планет земного типа на стабильных орбитах на нужном расстоянии от звезды. Впрочем, пока еще планеты с массами много меньше, чем у Юпитера, расположенные не очень близко от звезды, обнаруживаются с большим трудом, поэтому вполне вероятно, что многие или даже большинство планетных систем похожи на нашу Солнечную систему, то есть содержат планеты типа Земли.

Обсуждая размерность пространства (см. главу 18), мы уже говорили, что стабильные планетные орбиты не могут существовать во вселенной, имеющей более трех пространственных измерений. Точно так же и орбиты электронов в атомах были бы нестабильными, что сделало бы невозможными химические связи, необходимые для формирования сложных органических молекул — основы жизни. В некоторых теориях предполагается, что сначала Вселенная имела больше измерений, но большинство из них свернулось еще на ранней стадии эволюции Вселенной, оставив нам три пространственных и одно временное измерение. Мы можем себе представить другие вселенные, имеющие четыре, пять или больше пространственных измерений, но жизнь, как мы ее представляем, была бы невозможна в таких экзотических мирах.

Естественные законы и универсальные постоянные.

Не только размерность пространства, но также и законы природы и значения физических постоянных оказались как раз такими, какие позволили совершиться химической эволюции от Большого взрыва до Человека. Например, если бы во время Большого взрыва весь водород превратился в гелий, то сейчас во Вселенной не было бы ни воды, ни жизни. А это случилось бы, если бы ядерная сила, связывающая протоны и нейтроны, оказалась немного сильнее, чем она есть. В нашей реальной Вселенной ядерная сила достаточно велика, чтобы связать протон и нейтрон в ядро дейтерия, но недостаточно сильна, чтобы удержать рядом два протона, превысив их электростатическое отталкивание. Но можно представить себе вселенную, в которой ядерное взаимодействие всего на 3,4 % сильнее: это стабилизировало бы систему из двух протонов, то есть позволило бы образоваться ядру 2Не. Такие легкие ядра гелия без труда рождались бы во время Большого взрыва, и почти весь водород превратился бы в гелий. В этой гипотетической вселенной не было бы соединений водорода и долгоживущих звезд, которые используют водород как топливо.

С другой стороны, если бы ядерная сила была всего на 9 % слабее, она не могла бы удержать частицы в ядре дейтерия — главном звене в цепи превращения водорода в более тяжелые элементы. Без дейтерия у нас не оказалось бы углерода, а значит, и таких соединений, как белки и нуклеиновые кислоты. Как видим, сила ядерного взаимодействия с точностью до нескольких процентов должна быть именно такой как есть, чтобы возникла жизнь.

Важность точного значения ядерной силы первым понял Фред Хойл. В 1950-х годах он показал, что реакция ядерного синтеза углерода (из трех ядер гелия) происходит эффективно только в том случае, если ядерная сила имеет вполне определенное значение. Основываясь на том, что наша форма жизни базируется на углероде, Хойл теоретически вычислил значение константы ядерного взаимодействия. Через несколько лет физики-ядерщики на основе экспериментов подтвердили, что Хойл прав: образование углерода в звездах действительно строго зависит от значения ядерной силы. Хойл продемонстрировал и другое счастливое совпадение: превращение углерода в кислород в звездах происходит не так эффективно, как образование самого углерода, что и приводит к накоплению углерода в природе. Жизни трудно было бы процветать в том в мире, где кислорода больше, чем углерода. Если существует много вселенных, то эти уникальные параметры делают нашу Вселенную более благоприятным для жизни местом, чем большинство других.

Мы уже знаем, что один из самых распространенных элементов, углерод, имеет как раз такие химические свойства, чтобы образовать четыре ковалентные связи и формировать длинные молекулы. К тому же оказалось, что самое распространенное соединение во Вселенной, Н2O, действует как оптимальный растворитель для обеспечения биохимических реакций. Похоже, что основные возможности для полного химического арсенала жизни аккумулированы в особых свойствах углерода и воды. В принципе, эти вещества должны быть на планетах по всей Галактике.

Одним из физических факторов, важных для образования первых звезд, было слегка неоднородное распределение плотности первичного излучения и ядерной плазмы, сформировавшихся в процессе Большого взрыва. Это привело к неоднородному распределению первичных водородно-гелиевых облаков, которое затем перешло в сжатие, создавшее первые звезды — «фабрики» по производству первых тяжелых элементов, необходимых для жизни.

Кроме субатомных параметров, важных для процессов, протекающих в недрах звезд, есть еще и слабая сила гравитации — строитель космических структур. Если бы эта сила была немного слабее или немного сильнее, то формирование звезд происходило бы иначе, чем сейчас. Будь эта сила слабее, не появились бы тяжелые элементы, а будь она сильнее, звезды эволюционировали бы так быстро, что у их планетных систем не имелось бы достаточно времени, чтобы на них могла возникнуть жизнь. И вновь мы видим, что иные вселенные, с иной гравитационной постоянной, были бы непригодны для жизни.

Критическое значение для существования жизни имеет возраст Вселенной и звезд. Если бы эволюция Вселенной протекала скоротечно (скажем, за миллион лет), то жизнь не успела бы даже за-родиться. Элементы жизни — углерод и другие — сформировались в ходе ядерных реакций внутри звезд и были выброшены в межзвездные облака при взрывах звезд. И для образования следующего поколения звезд и их планет тоже требуется время. Ведь планеты типа Земли не могут появиться у звезд, протопланетные диски вокруг которых лишены сложных химических элементов. Первое поколение звезд нашей Галактики не могло иметь планет, пригодных для жизни. Накопление необходимых элементов в газовых облаках, из которых позже образовались звезды и планеты, должно было происходить достаточно быстро, но сколько именно времени это заняло — не ясно.