После Второй мировой войны теорию синтеза элементов в звездах успешно развивал британский астрофизик Фред Хойл. Он детально проработал все этапы этого сложного процесса и вполне мог бы претендовать на Нобелевскую премию, возможно, если бы впоследствии не так увлекался публичной критикой общепринятых астрофизических идей. Выступая на Би-би-си, он весьма эмоционально нападал на теорию горячей Вселенной, называя ее не иначе как «биг-бэнг» — Большой взрыв. Уничижительное словечко, однако, прижилось и стало научным термином, а вот «нобелевка» обошла Хойла стороной. Что, впрочем, не умаляет его достижений в физике звезд.
В начале 1950-х Хойл работал над механизмом синтеза углерода из гелия: сначала пара ядер гелия (альфа-частиц) сливается в ядро бериллия, потом к нему добавляется третье ядро гелия и образуется углерод. Но расчеты показывали: при столкновении бериллия и гелия получается неустойчивое ядро, которое обычно сразу разваливается. Тогда Хойл выдвинул смелую гипотезу: возможно, физики-ядерщики недостаточно внимательно изучили ядро углерода, упустив одно из его возбужденных состояний — то самое, что нужно для эффективной реакции ядер бериллия и гелия. Хойл даже вычислил энергию нужного состояния — около 7,7 мегаэлектронвольта (МэВ). Гипотеза была опубликована в 1952 году, и уже на следующий год подтвердилась экспериментально — в спектре возбуждений ядра углерода-12 обнаружился неизвестный прежде резонанс с энергией 7,66 МэВ.
Это выдающееся предсказание убедительно подтвердило теорию ядерных источников энергии звезд. Но еще интереснее то, что без данного резонанса — окажись, к примеру, его энергия процентов на 10 выше или ниже — углеродная жизнь была бы невозможна. Похоже, нам вновь повезло со Вселенной.
За железным занавесом
В мире приоритет выдвижения антропного принципа признается за Брэндоном Картером (1973) и отчасти за Робертом Дикке (1961). Однако в СССР сходные идеи высказывались заметно раньше. Григорий Моисеевич Идлис в 1957—1958 годах рассматривал Вселенную как «типичную обитаемую космическую систему» и отмечал, что ее выделяет из всех возможных миров наличие необходимых и достаточных условий для существования жизни. Абрам Леонидович Зельманов сформулировал подобные идеи даже раньше, в 1955 году, а в 1970-м, еще до выступления Картера, дал им очень емкую формулировку: «...мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы иного типа протекают без свидетелей». Однако работы отечественных астрофизиков не были известны на Западе, так что там антропный принцип был позднее сформулирован совершенно независимо.
Брэндон Картер в 1973 году сформулировал слабый и сильный антропные принципы
Тонкая настройка
После того как антропный принцип был сформулирован Брэндоном Картером, физики и космологи азартно принялись проверять, как отразятся на возможности человеческого существования различные модификации в физических законах. По современным представлениям все многообразие физических явлений сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Уравнения, которые их описывают, содержат так называемые фундаментальные постоянные. Среди них скорость света, задающая темп самых быстрых процессов, постоянная Планка, определяющая масштаб квантовых явлений, гравитационная постоянная, характеризующая силу всемирного тяготения, а также массы, заряды и другие параметры ряда элементарных частиц. Значения фундаментальных постоянных, а всего их сегодня насчитывается 26 штук, не выводятся из теории, а измеряются экспериментально (причем далеко не все из них на сегодня известны). Естественно, у физиков возникли вопросы: чем определяются величины этих постоянных и что случилось бы с нашей Вселенной при их изменении?
Начать хотя бы с частиц, из которых состоят атомы. Положительно заряженные протоны всего на 0,14% легче нейтронов, лишенных электрического заряда. Но эта разница примерно вдвое больше массы электрона. Избыток массы позволяет свободному нейтрону спонтанно испустить электрон (и антинейтрино), превратившись в протон. А вот протон не может самопроизвольно стать нейтроном — ему для этого нужно откуда-то получить недостающую массу. Поэтому протоны устойчивы, а нейтроны — нет. Окажись масса протона всего на четверть процента больше, ситуация стала бы противоположной, и Вселенная лишилась бы водорода, ведь его ядра как раз и есть одиночные протоны. Без водорода не зажглись бы звезды, не образовались тяжелые элементы и уж, конечно, в таком нейтронном мире не было бы жизни. Но и заметно уменьшить массу протона тоже нельзя. Иначе нейтроны станут слишком неустойчивыми и будут превращаться в протоны даже внутри атомных ядер (как это происходит с некоторыми радиоактивными изотопами). Электрическое отталкивание перенасыщенных протонами ядер привело бы к их разрушению, и во Вселенной остался бы один только водород, чего для жизни явно недостаточно.
А что если поменять относительную силу фундаментальных взаимодействий? Например, увеличить немного ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны. Это сделает стабильным атомное ядро, состоящее из двух протонов без нейтронов, так называемый дипротон, или гелий-2. Расчеты показывают, что в таком мире сразу после Большого взрыва все протоны объединяются в пары и во Вселенной не остается водорода, а значит, не будет ни воды, ни жизни. А если всего в несколько раз усилить гравитацию (помните, она в 1039 раз слабее электромагнетизма), звезды, сжавшись, станут прогорать в десятки тысяч раз быстрее, не оставляя времени для биологической эволюции. Троньте слабое взаимодействие, определяющее поведение нейтрино, и перестанут взрываться сверхновые, которые рассеивают в космосе наработанные в звездах тяжелые элементы, и мы лишимся планет.
Оказалось, что в законах физики буквально ни к чему нельзя прикоснуться без риска получить мир, лишенный наблюдателей. Этот странный факт стали называть «тонкой настройкой» Вселенной, и он настоятельно требовал объяснения.
В центральной области Туманности Киля идут бурные процессы, без которых не могла бы возникнуть жизнь: газ и пыль сжимаются гравитацией в плотные темные глобулы, рожденные в них звезды нарабатывают тяжелые элементы, которые потом рассеиваются в космосе взрывами сверхновых
Не такая уж и тонкая настройка
Американский астрофизик и философ Виктор Стенгер считает, что тонкость настройки нашей Вселенной сильно преувеличена. Хотя по отдельности менять фундаментальные постоянные довольно опасно, при их совместном изменении могут получаться вполне пригодные для жизни миры. Свойства материи в масштабах от атомов до звезд в первом приближении определяются четырьмя константами: две из них регулируют сильное и электромагнитное взаимодействия, а другие две — это массы протона и электрона. В 2000 году Стенгер написал и разместил в Интернете небольшую программу MonkeyGod («Обезьяний бог», www.colorado.edu/philosophy/vstenger/Cosmo/ monkey.html), где можно вручную или случайно задать эти четыре константы и узнать, какие параметры будут у атомов, звезд и планет. Оказалось, что примерно в половине таких случайно «созданных» вселенных время жизни звезд превышает миллиард лет, числа Вейля и Дирака примерно в 5% случаев совпадают по порядку величины. То есть область антропных параметров вовсе не так мала, как об этом принято думать. К тому же все антропные рассуждения исходят из того, что разумные наблюдатели непременно должны быть, подобно людям, представителями углеродной формы жизни. Этот «углеродный шовинизм» сильно сокращает диапазон возможных условий существования разума. Мы не знаем других его форм, но это вовсе не значит, что они невозможны, и быстрое развитие компьютеров дает в этом отношении изрядный простор для фантазии.