Вселенные, обладающие различными законами физики, могут быть обитаемы. Чтобы лучше понять наше истинное место в Мультивселенной, необходимо изучать иные вселенные.

Типичный герой голливудского фильма пребывает в постоянной борьбе со смертью. Множество плохих парней стреляют в него, каждый раз промахиваясь лишь на волосок. Какие-то доли секунды отделяют отпрыгнувшего супермена от огненного шара взорвавшейся машины. Друзья приходят ему на помощь за мгновение до того, как нож негодяя должен перерезать ему горло. Повернись любое из этих событий хоть немного иначе — и прости-прощай. При этом, даже если мы не видели фильма раньше, что-то подсказывает нам, что он закончится определенным образом.

В некотором отношении история нашей Вселенной похожа на голливудский фильм. Некоторые ученые считают, что даже небольшое изменение одного из основополагающих законов физики могло бы привести к катастрофе, которая нарушила бы ход нормального развития Вселенной, сделав невозможным наше существование. Например, если удерживающее ядра атомов сильное ядерное взаимодействие оказалось бы немного сильнее или, наоборот, слабее, то в звездах образовалось бы очень мало углерода и других химических элементов, необходимых для формирования планет, не говоря о жизни. Если протон был бы всего на 0,2 % тяжелее, чем он есть, то весь первичный водород практически сразу же распался бы на нейтроны, и никаких атомов вообще не сформировалось бы. И таким совпадениям нет числа.

Законы физики — и, в частности, входящие в них мировые константы, такие как константы связи фундаментальных сил, — оказались «настроены» таким образом, чтобы сделать возможным наше существование. Такая точка зрения недалеко ушла от попыток привлечения сверхъестественных объяснений, которые могли бы оказаться вне компетенции науки. Многие физики и космологи в 1970-х гг. начали решать проблему, предполагая, что наша Вселенная — всего лишь одна из многих существующих, каждая из которых обладает собственными физическими законами. Согласно таким «антропным» рассуждениям, мы можем занимать очень редкую, специально «настроенную» вселенную, в которой вся совокупность условий позволила образоваться жизни.

Удивительно, что согласно господствующей в современной космологии теории, основы которой были заложены в 1980-х гг., «параллельные вселенные» могут реально существовать. Фактически, множество вселенных могли бы постоянно рождаться из первичного вакуума таким же образом, как образовалась и наша Вселенная. Наша Вселенная могла бы быть одной из большого количества таких «карманных» вселенных в огромном объемлющем пространстве, называемом Мультивселенной. В подавляющем большинстве таких вселенных законы физики могли бы не приводить к образованию знакомой нам материи или же галактик, звезд, планет и жизни. Однако если рассматривать полный набор всех возможных вариантов, у природы есть неплохой шанс сформировать «правильные» законы хотя бы единожды.

Тем не менее, согласно нашим недавним исследованиям, некоторые из иных вселенных — в рамках предположения, что они всё-таки существуют — могут и не быть столь недружелюбными. Примечательно то, что мы нашли примеры альтернативных значений фундаментальных констант и, таким образом, альтернативные множества физических законов, на основе которых могли бы существовать очень интересные миры, а возможно, даже и жизнь. Основная идея заключается в том, чтобы изменить какой-то один из законов природы, а затем некоторым образом подстроить под него все остальные.

Наша работа стоит несколько в стороне от серьезных проблем теоретической физики, таких как, например, проблема малости космологической постоянной, благодаря чему наша Вселенная не схлопнулась сразу же после Большого взрыва и не оказалась разорванной экспоненциально растущим расширением. Тем не менее существование альтернативных и в принципе обитаемых вселенных ставит интересные вопросы и позволяет понять, насколько уникальна наша Вселенная.

Жизнь без слабого взаимодействия

Общепринятый путь, выбранный учеными, таков: превратить какую-нибудь фундаментальную константу в подходящую переменную и изменить ее, оставляя все остальные параметры исследуемой модели неизменными. Основываясь на возникающих при этом новых законах физики, ученые как бы смотрят кинофильм о вселенной — они производят вычисления, прогнозируя различные сценарии ее развития с помощью компьютерного моделирования, чтобы сделать предположения о возможных катастрофах. Но почему одновременно фиксируется только один параметр? Ситуация напоминает вождение автомобиля, когда водитель следует только по одной широте или долготе, но не меняет обе величины сразу. Однако очевидно, что, придерживаясь одной из линий сетки, вы не будете двигаться по нужной вам дороге. Таким образом, нужно менять хотя бы два параметра.

Для поиска альтернативных множеств физических законов, которые все-таки могут создавать сложные структуры, способные в свою очередь порождать жизнь, один из нас (Гилад Перес) и его сотрудники, не делая даже небольшой модификации известных законов физики, просто полностью исключили одно из четырех фундаментальных взаимодействий.

По самому своему названию фундаментальные взаимодействия представляются как нечто обязательное для любой уважающей себя вселенной. Так, без сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а их в свою очередь в атомные ядра, материя, какой мы ее знаем, не существовала бы. Без электромагнитного взаимодействия не было бы света, атомов и химических связей. Без гравитации нет силы, объединяющей вещество в галактики, звезды, планеты.

Четвертое взаимодействие (слабое ядерное) незримо присутствует в нашей повседневной жизни, но также играет важную роль и в истории Вселенной. Помимо различных прочих важных свойств слабое взаимодействие делает возможными превращения нейтронов в протоны и наоборот. В первые мгновения после Большого взрыва, после того как кварки (возникшие в числе первых форм материи) объединились в группы по три, формируя протоны и нейтроны, вместе называемые барионами, последние смогли объединиться, в группы по четыре, формируя ядра гелия-4, содержащие два протона и два нейтрона. Этот так называемый нуклеосинтез Большого взрыва занял всего несколько секунд жизни нашей Вселенной, когда она остыла достаточно для формирования барионов, но не для того, чтобы последние испытали ядерный синтез. В процессе нуклеосинтеза Большого взрыва образовались водород и гелий, которые позже сформировали бы звезды, где ядерный синтез и другие процессы смогли бы выковать все остальные химические элементы. До сих пор синтез четырех протонов для создания гелия-4 продолжается внутри нашего Солнца, где рождается большая часть энергии, получаемой нами от этой звезды.

Без слабого взаимодействия кажется маловероятным, что во Вселенной сформировались бы сложные химические соединения, а следовательно, и жизнь. В 2006 г. Перес и его команда обнаружили множество физических законов, которые основываются только на остальных трех взаимодействиях, но, тем не менее, делают Вселенную пригодной для жизни.

Исключение слабого взаимодействия потребовало некоторых изменений в так называемой Стандартной модели физики частиц, которая описывает все взаимодействия за исключением гравитации. Группа исследователей показала, что модификации могут быть сделаны таким образом, что поведение остальных трех взаимодействий — и остальных основных параметров, таких как массы кварков, — могут быть такими же, как и в нашем мире. Мы хотим отметить, что подобный выбор консервативен, предназначен для облегчения расчетов параметров развития вселенной. Вполне возможно, что большое количество других вселенных, «лишенных» слабого взаимодействия, обитаемы, но совершенно не похожи на нашу. Во вселенной без слабого взаимодействия обычное слияние протонов для формирования гелия было бы невозможным, потому что этот процесс требовал бы превращения двух протонов в нейтроны. Однако возможен другой путь для образования химических элементов. Например, в нашей Вселенной материя существенно преобладает над антиматерией, но небольшой настройки величины параметра, контролирующего такую асимметрию, достаточно для того, чтобы нуклеосинтез Большого взрыва оставил основную часть ядер дейтерия. Дейтерий, также известный как водород-2, изотоп водорода, ядро которого содержит помимо одного протона еще и один нейтрон. Так, звезды могли бы светить за счет слияния протона и ядра дейтерия и формирования ядер гелия-3 (два протона и один нейтрон).Такие звезды, лишенные реакций, обусловленных слабым взаимодействием, были бы холоднее и меньше, чем звезды нашей Вселенной. Согласно компьютерному моделированию, проведенному астрофизиком Адамом Барроусом (Adam Burrows) из Принстона, такие звезды могли бы сгорать всего за 7 млрд лет (что составляет примерный возраст нашего Солнца) и выделять энергию со скоростью в несколько процентов от соответствующей солнечной.

Следующая стадия

Подобно звездам нашей Вселенной, звезды без слабого взаимодействия могли бы синтезировать в результате ядерных реакций химические элементы вплоть до железа. Однако типичная реакция, которая в наших звездах приводит к созданию элементов тяжелее железа, осуществлялась бы в этих звездах не всегда, прежде всего потому, что слишком мало нейтронов было бы доступно для захвата ядрами для создания тяжелых изотопов — первый этап в формировании тяжелых элементов. Небольшое количество тяжелых элементов (до стронция) могут быть синтезированы в лишенных слабого взаимодействия звездах за счет других механизмов.

В нашей Вселенной взрывы сверхновых распространяют новые синтезированные элементы по пространству и сами синтезируют новые элементы. Сверхновые бывают нескольких типов: во вселенной без слабого взаимодействия взрывы сверхновых, вызванные коллапсом сверхмассивных звезд, могут не происходить, потому что взрыв есть поток нейтронов, рожденных в результате слабого взаимодействия, которое выносит энергию из недр звезды и создает ударную волну, служащую причиной взрыва. Но различные типы сверхновых — термоядерный взрыв звезды за счет аккреции или гравитационного коллапса — тоже могут существовать. Так элементы могут быть рассеяны в межзвездном пространстве, где они дадут начало новым звездам и планетам.

С учетом относительно невысокой температуры звезд, лишенных реакций слабого взаимодействия, похожее на Землю тело должно быть примерно в шесть раз ближе к своему Солнцу. Для обитателей подобной планеты светило выглядело бы гораздо больше. Такая новая Земля без слабого взаимодействия во многом отличалась бы от нашей родной планеты. В нашем мире тектонические плиты и вулканическая активность обладают энергией за счет радиоактивного распада урана и тория в недрах Земли. Лишенная этих тяжелых элементов, типичная Земля без слабого взаимодействия обладала бы сравнительно скучной и лишенной особенностей геологией — за исключением гравитационных процессов, дающих дополнительный источник нагрева, как это происходит на некоторых спутниках Сатурна и Юпитера.

С другой стороны, химия была бы схожей с нашим миром. Разница заключалась бы в том, что периодическая таблица окончилась бы на железе, за исключением очень незначительных следов других элементов. Однако такое ограничение не запретило бы образование жизненных форм, схожих с известными нам. Так, даже во Вселенной с тремя фундаментальными взаимодействиями могла бы зародиться жизнь.

Иной подход, рассмотренный другим автором этой статьи (Алехандро Дженкинсом) с сотрудниками, представляет собой поиск альтернативных множеств законов физики, чтобы модифицировать Стандартную модель меньше, чем это делается в случае вселенной без слабого взаимодействия (при этом вводятся дополнительные параметры). В 2008 г. группа ученых изучала, до какой степени массы трех наиболее легких из шести кварков (называемых верхним, нижним и странным) могут меняться с сохранением органической химии. Изменение масс кварков неизбежно коснется того, какие барионы и какие атомные ядра могут существовать без быстрого распада. В свою очередь различный ассортимент атомных ядер затронет химию в целом.

Кварковая химия

Кажется правдоподобным, что разумная жизнь — если она не слишком сильно отличается от нашей — требует некоторого вида органической химии, которая по определению обладает углеродом. Химические свойства углерода суть следствия его атомного строения: его ядро обладает электрическим зарядом 6, т.е. на орбитах в нейтральном атоме углерода находятся шесть электронов. Эти свойства приводят к тому, что углерод создает огромное разнообразие молекул. Часто делаемое писателями-фантастами предположение о том, что жизнь может основываться на кремнии, следующем элементе в группе углерода в периодической таблице, спорно, поскольку нет сколько-нибудь значительного количества разнообразных молекул, основанных на кремнии. Кроме того, для формирования сложных органических молекул должны быть элементы с химическими свойствами водорода (заряд 1) и кислорода (заряд 8). Для того чтобы увидеть, могут ли они порождать органическую химию, группа ученых должна была рассчитать, могут ли ядра с зарядами 1, 6 или 8 радиоактивно распадаться до того, как они смогли бы принять участие в химических реакциях (см врезку).Устойчивость ядер частично зависит от их масс, которая в свою очередь определяется массами составляющих их барионов. Вычисления масс барионов и ядер, если начинать расчет с масс кварков, очень сложны даже для нашей Вселенной. Однако после тонкой настройки интенсивности взаимодействия кварков можно использовать массы барионов, измеренные в нашей Вселенной, для оценки того, какие изменения масс кварков могли бы повлиять на массы ядер.

В нашем мире нейтрон ровно на 0,1% тяжелее протона. Если массы кварков изменились бы так, что нейтрон стал бы на 2% тяжелее протона, то не существовало бы устойчивых соединений углерода и кислорода. Если бы массы кварков были «настроены» таким образом, чтобы сделать протон тяжелее нейтрона, то протон в ядре водорода мог бы захватить электрон на орбите и превратиться в нейтрон — таким образом, атомы водорода не были бы устойчивыми в течение долгого времени. Но дейтерий или тритий (водород-3) могли бы все же быть устойчивыми и образовывать некоторые формы кислорода и углерода. Наши исследования показали, что даже если протон станет тяжелее нейтрона более чем на 1%, то могут исчезнуть некоторые устойчивые формы водорода.

С дейтерием (или тритием), замещающим водород-1, океаны наполняла бы «тяжелая вода», которая обладает всего лишь небольшими отличиями своих физических и химических свойств от обычной воды. В таких мирах не появится фундаментальных препятствий к развитию органической жизни.

В нашем мире третий легчайший кварк (странный кварк) слишком тяжел, чтобы принимать участие в процессах ядерной физики. Однако если его масса сократится более чем в десять раз, то ядра можно будет сформировать не только из протонов и нейтронов, но также и из других барионов, содержащих странный кварк.

Например, наша научная группа выявила вселенную, в которой верхний и странный кварки могли бы иметь одинаковые массы, а нижний кварк был бы много легче. Атомные ядра состояли бы не из протонов с нейтронами — вместо нейтронов был бы другой барион, называемый «сигма минус». Важно отметить, что даже такая радикально отличная от нашей вселенная обладала бы устойчивыми формами водорода, углерода и кислорода и, таким образом, могла бы иметь органическую химию. Возникали бы такие элементы в достаточном количестве для появления где-нибудь жизни или нет — вопрос остается открытым.

Но если бы жизнь могла зародиться, могло бы случиться то же, что и в нашем мире. В такой вселенной физики столкнулись бы с вопросом, почему верхний и странный кварки обладают почти одинаковыми массами. Они могли бы даже представить, что такое удивительное совпадение имеет антропное объяснение, основанное на необходимости существования органической химии. Тем не менее нам известно, что такое объяснение было бы ложным, потому что наш мир тоже обладает органической химией, несмотря на то что массы верхнего и странного кварков различны.

С другой стороны, вселенные, в которых все три легких кварка имеют одинаковые массы, возможно, и не обладали бы органической химией: любое ядро с достаточно большим электрическим зарядом практически сразу же распалось бы. К сожалению, очень сложно воссоздать в деталях истории вселенных, физические параметры которых отличаются от наших. Эта тема требует дальнейшего исследования.

Струнный ландшафт

Ученые получили косвенные свидетельства о существовании Мультивселенной с помощью моделирования и подгонки параметров. Остается ли под вопросом реальное существование Мультивселенной? Мы не думаем, что это обязательно, по двум причинам. Первая следует из наблюдений, согласуемых с теорией. Астрономические данные строго поддерживают гипотезу о том, что наша Вселенная родилась из крошечной области пространства-времени, возможно, размером с одну миллиардную часть протона. Затем Вселенная прошла через стадию быстрого — экспоненциального — роста, называемую инфляцией. Космологи до сих пор не создали окончательной модели инфляции, но, согласно теории, различные области пространства-времени могли бы расширяться с различной скоростью, создавая таким образом нечто, напоминающее «карман», который мог бы стать самостоятельной вселенной со своими физическими константами. Пространство между отдельными «карманными» вселенными могло бы продолжать расширяться так быстро, что оказалось бы невозможным путешествовать и посылать сообщения от одной вселенной к другой, даже со скоростью света.

Вторая причина, позволяющая допустить существование Мультивселенной, следующая: величина космологической постоянной, меры энергии пустого пространства, «настроена» с необычайной степенью точности. Квантовая физика предсказывает, что энергией обладает даже пустое пространство. Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что все формы энергии вызывают гравитацию. Если энергия положительная, это вынуждает пространство расширяться с экспоненциальной скоростью. Если отрицательная — вселенная сожмется в «Большом хлопке». Согласно квантовой теории, космологическая постоянная должна быть настолько велика по модулю, что пространство расширялось бы слишком быстро для того, чтобы успели сформироваться такие структуры, как галактики, или для того чтобы вселенная схлопнулась за доли секунды.

Один из способов объяснить, почему наша Вселенная избежала таких ужасов, — предположение, что какой-то член в уравнениях Эйнштейна погасил вклад космологической постоянной. Проблема в том, что этот член должен был бы быть «настроен» очень точно — отклонение его значения всего на сотый знак после запятой привело бы к отсутствию структур во Вселенной.

В 1987 г. Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), лауреат Нобелевской премии, физик-теоретик из Техасского университета в Остине, предложил антропное объяснение. Он вычислил верхнее ограничение на величину космологической постоянной. Если ее реальное значение больше, то пространство расширялось бы так быстро, что во Вселенной не оказалось бы структур, которые необходимы для возникновения жизни. Таким образом, само наше существование доказывает, что значение космологической постоянной невелико.

Далее, в конце 1990-х гг. прошлого века астрономы обнаружили, что Вселенная расширяется ускоренно за счет неизвестной формы «темной энергии». Наблюдаемый темп расширения говорит о том, что космологическая постоянная мала и положительна — в рамках, предсказанных Вайнбергом: это означает, что темная энергия очень «разрежена».

Так, космологическая постоянная кажется «настроенной» с величайшей точностью. Кроме того, методы, приложенные нашей группой к слабому взаимодействию и массам кварков, кажутся в этом случае провальными, потому что, видимо, невозможно обнаружить родственные вселенные, в которых космологическая постоянная существенно больше наблюдаемого нами значения. В Мультивселенной огромное большинство вселенных могли бы иметь космологическую постоянную, при которой не образовалось бы никаких структур. Аналог из реального мира — поход тысячи людей через труднопроходимую пустыню. Те несколько счастливчиков, которые смогут это сделать и остаться в живых, расскажут захватывающие истории о ядовитых змеях и других смертельных опасностях, кажущихся слишком далекими от реальности.

Теоретические аргументы, рожденные в теории струн (спекулятивное расширение Стандартной модели и попытки описать все взаимодействия как колебания микроскопических струн), кажется, подтверждают такой сценарий. Эти аргументы говорят, что во время инфляции космологическая постоянная и другие параметры могли обладать поистине безграничным разбросам различных значений, называемым «ландшафтом теории струн» (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004). Наша собственная работа, тем не менее, подвергает сомнению полезность антропного принципа, по крайней мере вне случая космологической постоянной. Возникают также и важные проблемы. Например, если жизнь действительно возможна без слабого взаимодействия, тогда почему в нашей Вселенной оно вообще есть? Фактически физика частиц утверждает, что в нашей Вселенной есть слабое взаимодействие, но недостаточно слабое. Его наблюдательная величина кажется неестественно большой в Стандартной модели. Основное объяснение для этой загадки требует существования новых частиц и новых сил, которые физики надеются обнаружить на Большом адронном коллайдере. Как следствие, многие теоретики ожидают, что основное количество вселенных обладают слабым взаимодействием, которое так слабо, что его можно считать практически отсутствующим. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что мы живем во Вселенной, обладающей слабым взаимодействием. Естественно, только глубокое знание того, как Вселенная родилась, поможет ответить на все эти вопросы. В частности, мы можем открыть физические принципы более фундаментальных уровней, гласящие, что природа принимает именно такие законы, а не иные.Возможно, нам не суждено найти прямых указаний на существование других вселенных, и мы не сможем увидеть ни одну из них, но нам следует узнать о них больше, если мы хотим понять наше истинное место в Мультивселенной или то, что таится за ее пределами.

Перевод: О.С. Сажина

ОБ АВТОРАХ

Алехандро Дженкинс (Alejandro Jenkins), урожденный костариканец, работает в Группе физики высоких энергий в Университете Флориды. Окончил Гарвардский университет и Калифорнийский технологический институт. Занимается исследованиями возможности существования альтернативных вселенных в Массачусетсском технологическом университете с Бобом Джаффом (Bob Jaffe) и Итамаром Кимчи (Itamar Kimchi). Гилад Перес (Gilad Perez) — физик-теоретик израильского Института Вейцмана в Реховоте, где он и получил докторскую степень в 2002 г. В Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли он исследует Мультивселенную с Рони Харником (Roni Harnik) из Стэнфордского университета и Грэхемом Крибсом (Graham D. Kribs) из Орегонского университета. Он работает также в Университете в Стони-Бруке, в Бостонском и Гарвардском университетах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.