Новые знания о строении нашей Вселенной

Обнаружен ключик тонкой настройки Вселенной

Американскому физику Эндрю Гульду, похоже, удалось разобраться с тем, что явилось одним из основных элементов "тонкой настройки" современной Вселенной, которая сделала ее такой, какой она и пребывает по сей день. Это была изначальная разница масс двух изотопов: трития и гелия-3. Благодаря ей звезды и планеты сформировались именно так, а не иначе.

Фото:

Проблема "тонкой настройки" Вселенной занимает ученых достаточно давно, хотя некоторые физики считают ее несколько надуманной. Напомню, что "тонкой настройкой" называют процесс, в результате которого во Вселенной на каком-то этапе ее развития установились современные значения всех физических констант. Сказать точно, когда именно это произошло: сразу после Большого взрыва или через какое-то время после него, — сейчас достаточно сложно. Именно поэтому ряд ученых и считают все рассуждения о "тонкой настройке" спекулятивными.

Действительно, даже если все-таки принять существование проблемы "тонкой настройки" как данность, то оценить ее истинный масштаб на современном уровне развития науки и техники практически невозможно. Во-первых, для этого понадобится подробное описание условий, допускающих такую эволюцию Вселенной, в которой возможно появление и развитие жизни (этот момент — то, от чего реально можно отталкиваться), но все лучшие умы человечества пока что не могут точно сказать, что именно требуется для появления исключительно земной жизни (об условиях, необходимых для существования жизни вообще во Вселенной, пока что даже не говорят).

Во-вторых, сложность моделирования этого процесса заставляет ученых искать такие параметры (или их комбинации), изменение которых гарантированно усложнит развитие жизни, а наборы констант, значения которых вполне безобидны по отдельности, но потенциально опасны в сочетании друг с другом, не исследуются. Что, конечно же, не является нормальным подходом к построению модели — по идее, нужно пробовать любые сочетания.

В-третьих, никто не может точно сказать, изменялись ли все современные константы после того, как установились, то есть на больших промежутках времени и на больших космических расстояниях. Потому что если их значения действительно изменялись, то можно предположить, что Земля просто оказалась в нужной части Вселенной в нужное время. Но если они не менялись после того, как начали "работать", то тогда достаточно сложно объяснить, почему планет, подобных Земле, то есть пригодных для развития жизни, не образовалось сразу же несколько тысяч — ведь космические условия, схожие с теми, в которых существует наша "голубая планета", не то чтобы уникальны.

Итак, как видите, проблема "тонкой настройки" пока порождает массу вопросов, которые не имеют однозначных ответов. Именно поэтому многие физики считают ее даже скорее не научной, а философской. Но в то же время игнорировать ее было бы неуместно. Только тогда, когда ученые разберутся с тем, как и когда установились современные значения констант, они смогут по настоящему понять историю развития Вселенной, и, следовательно, сделать точный прогноз о том, что нас ждет в будущем.

Любопытно, что эта проблема (в других ее вариантах) актуальна и для других научных дисциплин — например, для палеонтологии. Дело в том, что для того, чтобы хоть как-то реконструировать события минувших эпох, палеонтологам приходится допускать, что все физические константы на Земле тогда были такими же, как и сейчас (для них самое главное из этого заключается в предположении, что осадки откладывались с той же скоростью и радиоактивные элементы распадались так же).

Именно поэтому в палеонтологии существует утверждение о том, что в "предшествующие геологические эпохи все физические константы были те же, что и в наши дни, — это предположение верно до тех пор, пока не будет доказано обратное". Как видите из второй части утверждения, оно является не догмой, а презумпцией. Следует заметить, что пока никому не удалось доказать то самое "обратное". Все теории,которые пытались это сделать (например , "Теория сужающейся-расширяющейся Земли", подробнее о которой можно прочесть в статье "Расширению Земли пришел конец"), были вполне обоснованно отвергнуты.

Тем не менее, вернемся к проблеме "точной настройки". Если удастся ее решить, тогда прошлое Вселенной станет принципиально познаваемым (потому что сейчас про это с уверенностью сказать нельзя). Исследуя данную проблему уже много лет, американский астрофизик Эндрю Гульд из Университета штата Огайо (США) считает, что ключевым моментом "тонкой настройки" может быть образование разности масс трития (тяжелого радиоактивного изотопа водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов) и гелия-3. Именно из-за этой образовавшейся разности масс наш мир стал таким, каким мы его сейчас и видим.

В качестве примера того, что подобная разница может быть очень важной, г-н Гульд предлагает рассмотреть другую разность масс: всем известных частиц нейтрона (939,565 МэВ) и протона (938,272 МэВ). Как мы можем сами убедиться, она равна 1,293 МэВ. Вроде бы пустячок, однако если бы она вдруг стала нулевой, а все прочие константы вроде массы электрона при этом сохранили бы прежние значения, то Вселенная напрочь лишилась бы водорода (правда, остались бы только небольшие запасы дейтерия и трития, образовавшиеся в процессе нуклеосинтеза при Большом взрыве). В результате в звездах было бы просто нечему гореть, а планеты лишились бы воды и, возможно, атмосферы.

А что бы было, если бы разница между массой трития и гелия-3, которая сейчас составляет 18,6 кэВ (где-то около 2•10^-5 атомных единиц массы) тоже бы вдруг стала равна нулю? По мнению ученого, это привело бы к тому, что³Н не будет распадаться с образованием ³Не. Впрочем, и обратный процесс также был бы невозможен по энергетическим соображениям.

В итоге через некоторое время ядра ³Не начали бы захватывать электроны, и к началу формирования звезд подобный вариант Вселенной отличался бы от нашего лишь тем, что весь гелий-3 оказался бы замещен тритием. Но из-за этого звезды формировались бы совсем по-другому. Поскольку превращение трития в гелий-4 идет примерно при той же температуре, что и переработка дейтерия в гелий-3, то традиционная фаза сжигания дейтерия на начальном этапе эволюции была бы заменена на фазу сжигания дейтерия и трития.

Беда вся в том, что длительность такого процесса будет в четыре-восемь раз превосходить продолжительность обычного сжигания дейтерия. Также, по расчетам Гульда, при этом сжигании выделялось бы куда больше энергии, и это бы уже повлияло на формирование протопланетного диска. Ученый считает, что при таком положении дел твердых планет вроде Земли могло бы вообще не появиться, а все обитатели планетных систем были бы похожи на "горячие Юпитеры", на которых зарождение жизни весьма маловероятно.

Так что приходится признать, что даже такая маленькая разница в массах двух важных для звезд элементов могла служить основным элементом "тонкой настройки". При иных ее значениях весь наш мир мог бы быть совсем другим, с другими физическими константами. А "сработала" эта "тонкая настройка", видимо, в тот момент, когда из аморфной кварк-глюоновой плазмы, образовавшейся в результате Большого взрыва, стали образовываться барионы, а потом из них — и ядра химических элементов. В итоге звезды и планеты стали именно такими, какими они пребывают и по сей день.

Тем не менее, не исключено, что разница масс трития и гелия-3 была не единственным ключевым моментом "тонкой настройки". Скорее всего, было что-то еще, о чем ученые пока что не знают. Будем надеяться, что наблюдения за космическими явлениями и эксперименты на земных ускорителях помогут исследователям разобраться в этом весьма нелегком, но очень интересном вопросе…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"