Удивительная Вселенная

Миры без жизни

Протон и нейтрон появились вскоре после Большого взрыва, позднее возникли атомные ядра. Свободный протон (ядро водорода) либо абсолютно стабилен, либо распадается со столь малой вероятностью, что этих процессов физики еще не обнаружили. А вот свободный нейтрон в среднем живет всего четверть часа, давая начало протону, электрону и антинейтрино. Внутриядерные нуклоны могут существовать до скончания времен, но могут также превращаться друг в друга и жить не более долей секунды, все зависит от их окружения (бета-распад).

Свободный нейтрон не мог бы давать начало протону, если бы не был несколько массивней, это следует из закона сохранения энергии. Разница очень невелика, всего 0,14%. Если бы природа урезала массу нейтронов всего на 0,2%, последствия были бы печальны: протоны в одиночном состоянии превращались бы в нейтроны, позитроны и нейтрино. Поэтому во Вселенной не могли бы зажечься звезды, которые на первом этапе своего существования питаются энергией термоядерного синтеза гелия из водорода. Но это не единственная неприятность: возникающие позитроны аннигилировали бы с электронами, рождая жесткое гамма-излучение. Космическое пространство оказалось бы заполненным изолированными нейтронами, нейтрино, гамма-квантами и, возможно, небольшим числом стабильных легких ядер, скорее всего, дейтериевых и гелиевых. Такой мир никак не мог бы стать колыбелью жизни.

Если бы нейтроны были чуть-чуть массивней, чем в действительности (на доли процента), они стали бы превращаться в протоны даже внутри тех ядер, которые в нашем мире стабильны. Такие ядра разрывались бы электрическими силами и давали начало множеству свободных протонов. Присоединяя электроны, они давали бы начало водородным атомам. В этом чисто водородном мире не было бы места химии, а следовательно, и жизни.

Но и это не все. Превышение нейтронной массы над протонной примерно втрое больше массы электрона. Если бы оно было меньше этой массы, то электроны могли бы спонтанно сливаться с протонами, превращая их в нейтроны. Сейчас такие переходы случаются только при исполинских давлениях, возникающих при гравитационном коллапсе массивных звезд (именно так рождаются нейтронные звезды). А вот если бы это условие выполнялось и в юности мироздания, протонам было бы энергетически выгодно уже тогда глотать электроны. При таком раскладе вновь бы получился скучный нейтронный мир.

Таким образом, законы физики упрятали все возможности рождения звезд и галактик, почти всех химических элементов, появившихся в звездных недрах, и, конечно, планет в крайне узкую разницу между нуклонными массами. Случайно ли природа удержалась на этом лезвии бритвы?

Энергия вакуума

Подобных примеров множество. Если бы гравитация была всего в миллион раз сильнее, это никак бы не сказалось на свойствах атомов и молекул. Но звезда солнечного типа в таком мире существовала бы всего 10 тысяч лет – слишком мало для возникновения жизни. А мир со слишком слабой гравитацией разлетелся бы после Большого взрыва настолько быстро, что вещество просто не успело бы стянуться в плотные газовые облака, дающие начало звездам.

Процесс рождения углерода в звездных топках очень сильно зависит от величины постоянной тонкой структуры, определяющей интенсивность электромагнитного взаимодействия. Если бы эта константа отличалась от своего значения (почти точно 1/137) на 15% в ту или иную сторону, ни одна звезда в мире не смогла бы нара-ботать и килограмма углерода (согласно некоторым расчетам, хватило бы даже отклонения в 2%). А без углерода не было бы и жизни, во всяком случае, в нашем понимании.

Последний пример сверхтонкой настройки физических констант выглядит особенно эффектно. С точки зрения квантовой механики вакуум – это не пустота, а генератор элементарных частиц, которые на сверхкороткие мгновения рождаются из квантовых флуктуаций и тут же переходят в небытие. В нашем макроскопическом мире эти эфемерные виртуальные частицы почти ничем себя не проявляют, хотя их существование подтверждается рядом экспериментов. Однако виртуальные электроны, фотоны, кварки, нейтрино в краткие моменты своего существования обладают определенной энергией. Сумма всех этих энергий и создает энергию физического вакуума. Математический аппарат квантовой теории поля позволяет вычислить эту сумму и обнаружить, что она равна бесконечности – явная бессмыслица.

Физики решают эту проблему, вводя в расчеты верхний предел энергии отдельных виртуальных частиц. Дело в том, что очень энергичные частицы, виртуальные или обычные, при столкновении дают начало черным дырам. Такие процессы существующие физические теории вообще не описывают (тут они просто теряют применимость). Поэтому ученые договорились обрезать энергии виртуальных частиц на «чернодырном» рубеже. После этой операции энергия вакуума получается хотя и конечной, но гигантской величиной: вакуумная энергия одних только виртуальных фотонов 10116 Дж/см3! Прочие виртуальные частицы дают сходные вклады.