Порядок первый закон Небес

 Порядок — первый закон Небес.

Фундаментальные мировые постоянные — это такие константы, которые дают информацию о наиболее общих, основополагающих свойствах материи. К таковым, например, относятся G, с, е, h, me и др. Общее, что объединяет эти константы, — это содержащаяся в них информация. Так, гравитационная постоянная G является количественной характеристикой универсального, присущего всем объектам Вселенной взаимодействия — тяготения. Скорость света с есть максимально возможная скорость распространения любых взаимодействий в природе. Элементарный заряд е — это минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в свободном состоянии (обладающие дробными электрическими зарядами кварки, по-видимому, в свободном состоянии существуют лишь в сверхплотной и горячей кварк-глюонной плазме). Постоянная

Планка h определяет минимальное изменение физической величины, называемое действием, и играет фундаментальную роль в физике микромира. Масса покоя mе электрона есть характеристика инерционных свойств легчайшей стабильной заряженной элементарной частицы.
Константой некоторой теории мы называем значение, которое в рамках этой теории считается всегда неизменным. Наличие констант при выражениях многих законов природы отражает относительную неизменность тех или иных сторон реальной действительности, проявляющуюся в наличии закономерностей.
Сами фундаментальные постоянные с, h, e, G и др. являются едиными для всех участков Метагалактики и с течением времени не меняются, по этой причине их называют мировыми постоянными. Некоторые комбинации мировых постоянных определяют нечто важное в структуре объектов природы, а также формируют характер ряда фундаментальных теорий.
 
определяет размер пространственной оболочки для атомных явлений (здесь mе— масса электрона), а
 
— характерные энергии для этих явлений; квант для крупномасштабного магнитного потока в сверхпроводниках задается величиной


 
предельная масса стационарных астрофизических объектов определяется комбинацией:
 
где mN — масса нуклона; 120

весь математический аппарат квантовой электродинамики основан на факте существования малой безразмерной величины
 
определяющей интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Анализ размерностей фундаментальных постоянных приводит к новому пониманию проблемы в целом. Отдельные размерные фундаментальные постоянные, как уже отмечалось выше, играют определенную роль в структуре соответствующих физических теорий. Когда речь идет о выработке единого теоретического описания всех физических процессов, формирования единой научной картины мира, размерные физические постоянные уступают место безразмерным фундаментальным константам таким как  Роль этих
постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной очень велика. Постоянная тонкой структуры   является количественной характеристикой, одного из четырех видов фундаментальных взаимодействий, существующих в природе — электромагнитного. Помимо электромагнитного взаимодействия другими фундаментальными взаимодействиями являются гравитационное, сильное и слабое. Существование безразмерной константы электромагнитного взаимодействия
  предполагает, очевидно, наличие аналогичных безразмерных констант, являющихся характеристиками остальных трех типов взаимодействий. Эти константы также характеризуются следующими безразмерными фундаментальными постоянными — константа сильного взаимодействия   — константа слабого взаимодействия:
 
где величина   — постоянная Ферми
для слабых взаимодействий;

константа гравитационного взаимодействия:
 
Числовые значения констант   определяют
относительную "силу" этих взаимодействий. Так, электромагнитное взаимодействие примерно в 137 раз слабее сильного. Самым слабым является гравитационное взаимодействие, которое в 1039 меньше сильного. Константы взаимодействия определяют также, насколько быстро идут превращения одних частиц в другие в различных процессах. Константа электромагнитного взаимодействия описывает превращения любых заряженных частиц в те же частицы, но с изменением состояния движения плюс фотон. Константа сильного взаимодействия является количественной характеристикой взаимных превращений барионов с участием мезонов. Константа слабого взаимодействия   определяет интенсивность превращений элементарных частиц в процессах с участием нейтрино и антинейтрино.
Необходимо отметить еще одну безразмерную физическую константу, определяющую размерность физического пространства, которую обозначим через N. Для нас является привычным то, что физические события разыгрываются в трехмерном пространстве, т. е. N = 3, хотя развитие физики неоднократно приводило к появлению понятий, не укладывающихся в "здравый смысл", но отображающих реальные процессы, существующие в природе.
Таким образом, "классические" размерные фундаментальные постоянные играют определяющую роль в структуре соответствующих физических теорий. Из них формируются фундаментальные безразмерные постоянные единой теории взаимодействий —   Эти константы и некоторые другие, а также размерность пространства N определяют структуру Вселенной и ее свойства.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ СКРЫВАЮТ ПОСЛЕДНЮЮ ТАЙНУ МИРОЗДАНИЯ
 Фундаментальные константы — основа теоретической физики, но их природа загадочна. Если бы хоть одна из них немного изменилась, в нашей Вселенной никогда бы не зародилась жизнь. Неужели мы живем в космосе, который и впрямь создан неким Творцом? А, может,нам повезло, и мир случайно возник таким, каков он есть? Или наша Вселенная окружена множеством параллельных миров, наделенных самыми разными свойствами?

Над решением этой проблемы давно бьются физики, философы, богословы. Физические константы поразительно точно согласованы друг с другом. Если бы они были хоть немного иными, то не возникло бы ни звезд, ни планет, ни живых существ, ни, разумеется, ученых, пытающихся понять тайны мироздания. Мы живем во Вселенной, где при малейшем изменении любой из констант жизнь пресеклась бы. И, тем не менее, мы живем в этой Вселенной. Так неужели та уникальная комбинация законов природы и физических констант, давшая нам жизнь, абсолютно случайна? Этот вопрос все чаще обсуждается на страницах научных изданий.

"Хотя физические константы — это всего лишь числа, на самом деле они гораздо больше, чем просто числа. Они — тайный шифр, с помощью которого мы, наверное, когда-нибудь разрешим загадку мироздания, — полагает Джон Бэрроу, профессор Кембриджского университета и автор вышедшего недавно бестселлера "1х1 мироздания". — Физические константы кодируют фундаментальные тайны Универсума. Они выражают вкупе пределы нашего знания и незнания. С одной стороны, мы готовы все точнее измерять значения этих констант, а, с другой стороны, истолковать их не можем — не объяснили до сих пор смысла ни одной из констант".
Эти наборы цифр, именуемые константами, скрывают от нас последнюю тайну мироздания. Система констант напоминает затейливо выстроенный карточный домик. Пока ни одна карта не дрогнет, непоколебимо высится вся постройка. Однако стоит изменить положение хоть одной карты, как конструкция зашатается и рухнет.

Физики любят и ненавидят константы одновременно. Теоретическая наука немыслима без них, но ученых язвит мысль, что некоторые константы открыты их коллегами "на кончике пера" — добавлены в уравнения "ради стройности теории".
Произвол судьбы, или что было бы...

• Если бы число пространственных и временных измерений было иным, то траектории движения планет и электронов стали бы неустойчивыми, а скорость распространения электромагнитных волн изменилась бы.

• Если бы плотность темной энергии приняла другое значение, то Вселенная начала бы чересчур быстро расширяться или сжиматься. В таком случае не успели бы образоваться галактики и звезды.

• Если бы после Большого Взрыва энтропия не была так мала, то наша Вселенная давно пребывала бы в термодинамическом равновесии и в ней не возникли бы никакие сложные структуры.

• Если бы флуктуации ПЛОТНОСТИ: первородного газа через 380 тысяч лет после Большого Взрыва встречались в десятки раз реже или чаще, то температура галактик оказалась бы слишком высока и соответственно высока была бы плотность звезд. А потому планеты не удержались бы на своих орбитах, испытывая мощное притяжение светил.

• Если бы сильное взаимодействие, скрепляющее атомные ядра, было на несколько процентов слабее или сильнее, то процесс термоядерной реакции в недрах звезд прекратился бы и не произошел синтез тяжелых элементов, не образовался углерод — основа всей известной нам жизни, а, возможно, не возникло вообще никаких звезд.

• Если бы слабое взаимодействие было несколько сильнее или слабее, то почти весь водород вскоре после Большого Взрыва превратился бы в гелий, перестали взрываться сверхновые звезды, а ведь благодаря этим взрывам происходит синтез тяжелых элементов — основного сырья для новых звезд и планет.

• Если бы электромагнитное взаимодействие, удерживающее, в частности, электроны возле атомных ядер, было в десятки раз сильнее, то атомы утратили бы стабильность, перестали бы существовать макроскопические тела, а химические реакции, обуславливающие зарождение жизни земного типа и ее эволюцию, протекали бы слишком медленно.

• Если бы сила гравитации была несколько сильнее или слабее, то Вселенная давно пережила бы коллапс или настолько быстро расширилась, что такие звезды, как Солнце, просто не успели бы зародиться или срок их жизни не превысил бы миллиона лет.

• Если бы электроны не были гораздо легче протонов, то не образовались бы твердые тела и не могли протекать большинство химических реакций, лежащих в основе жизненных процессов.

• Если бы атомы были крупнее и массивнее, то они утратили бы стабильность.
Вы затронули главную тему о Вселенной (космосе). Могу только несколько уточнить основные фундаметальные константы. Они связаны с гениальной константой Макса Планка -

h=2pi*e*137,035998*Ф

пи - понятное дело - объем вселенной,

е=(+/-)1,60217646263е-19 Кулон , электрический заряд на все микрочестицы - электрон, позитрон. протон, антипротон, мюоны.

Ф=4,8032042е-18 Вебер - элементарный поток магнитной индукции. Он отвечает за все известные магнитные явления и за рождение всех масс микрочастиц парами (электрон-позитрон, мюоны, протон-антипротон и так далее).

Постоянная тонкой структуры излучения автоматически входит в число ГЛАВНЫХ констант.

Указанные константы отвечают за все во Вселенной - от гравитации и инерции до ядер в атомах вещества. Все остальные константы есть производные от этих четырех главных констант Вселенной.
Тонкая настройка Вселенной

Тонкая настройка Вселенной[К 1] (от англ. fine-tuning) — концепция в теоретической физике, согласно которой в основе Вселенной и ряда её составляющих лежат не произвольные, а строго определённые значения фундаментальных констант, входящих в физические законы. В состав минимального списка этих фундаментальных мировых констант обычно включают скорость света (c), гравитационную постоянную (G), постоянную Планка (h), массы электрона и протона   и заряд электрона (e).
Замечено, что изменение значения констант в пределах порядка или исключение одного из внутренних квантовых чисел ведёт к невозможности существования атомов, звёзд, галактик[1] и жизни. В связи с этим возникают две проблемы:
• Все ли константы независимы друг от друга? Если нет, их количество можно уменьшить.
• Случайны ли наблюдаемые нами значения фундаментальных констант или существуют неизвестные нам законы, делающие одни значения более вероятными, чем другие?
Концепция тонкой настройки Вселенной стала обсуждаться учёными, философами и теологами в первой половине 1970-х годов[2], хотя её отдельные аспекты затрагивались и ранее. Причина тонкой настройки неизвестна, существует лишь несколько гипотетических объяснений. Ряд учёных и философов (Пол Дэвис[en], Хью Росс[en], Ричард Суинбёрн и др.) полагает, что в основе существующих закономерностей лежит гипотетический разумный замысел. Другие учёные (Мартин Рис, Леонард Сасскинд, Виктор Стенджер, Игорь Новиков, Андрей Линде и др.) считают тонкую настройку случайным образованием в гипотетической мультивселенной. Суть этой гипотезы состоит в том, что существует огромное множество (не менее 10500) вселенных (или областей мультивселенной) с всевозможными значениями констант и начальных условий. И естественно ожидать, что среди этого множества наверняка найдётся и такая вселенная, где значения констант подходят для образования звёзд, галактик и жизни. Существуют и другие предположения — в частности, более общая теория («теория всего») или космологический естественный отбор Ли Смолина. Философ Робин Коллинз[en], занимающийся вопросами взаимодействия религии и науки, предложил следующие три аспекта тонкой настройки Вселенной: настройка законов природы, настройка констант и настройка начальных условий Вселенной[3].
Содержание
 [скрыть]
• 1Основные аспекты
o 1.1Трёхмерность пространства
o 1.2Величины констант
o 1.3Характеристики элементарных частиц
o 1.4Другие параметры
• 2Возможные объяснения
o 2.1Более общая теория
o 2.2Мультивселенная
o 2.3Космологический естественный отбор
o 2.4Разумный замысел
• 3Критика
• 4См. также
• 5Комментарии
• 6Примечания
• 7Литература
• 8Ссылки
Основные аспекты[править | править код]
Выдвинутая Полем Дираком гипотеза об изменчивости некоторых констант послужила толчком к многочисленным экспериментальным исследованиям, которые показали с большой точностью, что признаки изменения какой-либо из констант на протяжении цикла расширения Вселенной отсутствуют[1] (кроме постоянной тонкой структуры, постоянной Хаббла и отношения между массой электрона и протона, стабильность значений которых были подвергнуты сомнению[4]). В 1980 году советский исследователь Иосиф Розенталь выдвинул постулат, который условно назвал принципом целесообразности. Его смысл заключался в том, что основные физические закономерности, наряду с численными значениями констант, являются не только достаточными, но и необходимыми для существования основных состояний (то есть ядер, атомов, звёзд и галактик)[1]. По мнению Розенталя, «критичность существования» основных состояний позволяет выдвинуть серьёзные аргументы в пользу принципа целесообразности[1]. Современная проблема тонкой настройки заключается в том, почему наша Вселенная является такой, а не другой. В рамках этой проблемы утверждается, что если бы ряд параметров (как констант, так и исходных характеристик в моделях Большого Взрыва) был бы слегка иным, то не могла бы возникнуть жизнь и всё многообразие в целом[5]. Однако вследствие существования так называемых свободных параметров наша Вселенная не может быть описана исключительно в рамках общей теории относительности и квантовой механики[6]: такие параметры, как, например, масса протона или сила гравитации, были названы свободными, поскольку не могут быть выведены из принятой ныне теории и должны быть определены «вручную»[6]. Как считает Ник Бостром, тонкая настройка требует объяснения в той мере, в какой она соотносится с излишком свободных параметров и, в конечном счёте, с отсутствием простоты[7]. В соответствующих предположениях часто применяется вероятностная логика и бритва Оккама.
Трёхмерность пространства[править | править код]
 
Туманность Киля, где в центральной области идёт бурное звездообразование, при котором газ и пыль сжимаются гравитацией в плотные тёмные глобулы. Звёзды осуществляют также локальный нагрев среды, предотвращающий её охлаждение при расширении пространства[8].
Уравнения, описывающие гравитационное или электрическое поле точечного источника, можно легко обобщить на случай пространства с другим числом измерений и найти их решения для этого случая. Как отмечает П. Дэвис, из этих решений видно, что в пространстве с n измерениями можно обнаружить закон обратной степени n;1[9]. В частности, в трёхмерном пространстве n;1=2 и в нём справедлив закон обратных квадратов[9]. В 1917 году Пауль Эренфест, решая уравнение Пуассона для потенциала электромагнитных сил в n-мерном пространстве, получил обобщение закона Кулона и подтвердил более раннее предположение Канта о том, что в трёхмерном пространстве «сила действия обратно пропорциональна квадрату расстояния»[10]. Эренфест обнаружил, что орбиты теряют свою устойчивость в четырёх и более пространственных измерениях. В четырёхмерном пространстве, например, где гравитационное поле Солнца будет действовать на планеты по закону обратных кубов[en], планеты, двигаясь по спиральным траекториям, довольно быстро упали бы на Солнце и были бы им поглощены[9].
Отмечено также, что в пространствах с чётным числом измерений не могут распространяться «чистые» волны. Поскольку за волной обязательно возникают возмущения, вызывающие реверберацию, чётко сформированные сигналы нельзя передавать, в частности, по двухмерной поверхности (например, по резиновому покрытию). Анализируя этот вопрос, английский учёный Джеральд Уитроу[en] в 1955 году заключил, что высшие формы жизни были бы невозможны в пространствах чётной размерности, поскольку живым организмам для согласованных действий необходимы эффективная передача и обработка информации[9]. В 1963 году было показано[11], что при числе измерений больше трёх атомные орбитали вокруг атомных ядер станут нестабильными и электроны либо упадут в атомное ядро, либо рассеются.
Величины констант[править | править код]
Среди базовых физических констант, для которых были просчитаны изменения величин, можно выделить слабое взаимодействие и космологическую постоянную. Тогда как ядерные реакции обычно протекают быстро, малая величина слабого взаимодействия позволяет резко замедлить ядерные процессы в звёздах до порядка 5 миллиардов лет (в частности, в звёздах типа Солнца) и тем самым, как считается, создать необходимый срок для возникновения разумной жизни земного типа[8] (посредством замедления протон-протонного цикла, чья скорость обеспечивает долгую жизнь звёзд[8]). При этом величина слабого взаимодействия должна быть действительно малой для обеспечения стабильности нейтрона, но не слишком малой — в противном случае число образовывающихся в звезде нейтринобудет очень маленьким, а внешние слои взрывающихся звёзд не получили бы от нейтрино достаточной энергии для разлёта в космосе[8].
В научно-популярной книге «Мистер Томпкинс в Стране чудес» Георгий Гамов рассмотрел следствия изменения скорости света, гравитационной постоянной и постоянной Планка. Скорость света была уменьшена, тогда как значения двух остальных констант были увеличены. По этой причине велосипедист, например, при ускорении начнёт видеть значительно укороченные здания. Охотникам станет труднее отстреливать дичь, поскольку их позиции будут нестабильными из-за принципа неопределённости Гейзенберга[12].
Следствия изменения некоторых физических параметров[8][13]

Параметр При увеличении При уменьшении
Сильное взаимодействие
Невозможность образования водорода, нестабильность атомных ядер у многих жизненно важных химических элементов Невозможность образования химических элементов тяжелее водорода
Слабое взаимодействие
Излишек гелия во время Большого взрыва, избыток тяжёлых элементов в звёздах, невозможность взрывов сверхновых, невозможность появления жизни Недостаток гелия при Большом взрыве, невозможность взрывов сверхновых, невозможность появления жизни
Гравитационная постоянная
Слишком горячие звёзды и их нестабильность Слишком холодные звёзды, исключающие возможность термоядерной реакции

Постоянная электромагнитного взаимодействия
Недостаточно прочные химические связи, нестабильность элементов тяжелее бора
Недостаточно прочные химические связи
Период полураспадабериллия-8
Слишком быстрый синтез тяжёлых элементов, ведущий к недостаточному их образованию для жизни Невозможность образования углерода и некоторых других важных химических элементов
Уровень энтропии во Вселенной
Невозможность звездообразования в галактиках
Невозможность образования протогалактик

Характеристики элементарных частиц[править | править код]
В стандартной модели бозон Хиггса, взаимодействуя с самим собой, испускает и поглощает частицы, энергия которых проявляется как масса. В рамках этой модели тонкая настройка необходима элементарным частицам для удержания их масс от поглощения масштабом Планка[en] или более высокими энергиями объединения (проблема калибровочной иерархии)[14]. Этому было предложено несколько возможных объяснений (техницвет[en], суперсимметрия и др.[14]), но все они пока не получили экспериментального подтверждения. Замечено также, что если бы у элементарных частиц отсутствовал спин, не было бы, в частности, электромагнитного и гравитационного взаимодействий[1]. Отсутствие изоспина у адронов привело бы к отсутствию сложных стабильных ядер[1].
Для иллюстрации следствий тонкой настройки, однако, часто выбираются протон, нейтрон и электрон. Протон в 1836 раз массивнее, чем электрон, что влияет на орбиту электронов вокруг атомного ядра. Если это соотношение (;) было бы больше или меньше, это исключило бы возможность образования молекул[15]. Было также подсчитано, что в случае существования распада протона звёзды растратят своё горючее в течение ста лет, что будет недостаточно для образования жизни[16]. Изменение массы протона или нейтрона всего примерно на одну тысячную исходной величины привело бы к нестабильности атома водорода, наиболее распространённого элемента во Вселенной[17]. При этом уменьшение массы нейтрона на 0,2 % приведёт к тому, что протоны в одиночном состоянии превращались бы в нейтроны, позитроны и нейтрино[18]. Позитроны при этом аннигилировали бы с электронами, рождая жёсткое гамма-излучение и космическое пространство оказалось бы заполненным изолированными нейтронами, нейтрино, гамма-квантами и, возможно, небольшим числом стабильных лёгких ядер, что исключило бы возможность зарождения известных форм жизни[18]. С другой стороны, увеличение массы нейтронов на доли процента привело бы к их превращениям в протоны даже внутри тех ядер, которые в нашем мире стабильны[18]. Такие ядра разрывались бы электрическими силами, производя множество свободных протонов. Присоединяя электроны, они бы стали образовывать атомы водорода, что в итоге создало бы безжизненную водородную среду без комплексной химии[18]. Изменение массовой доли преобразующихся в энергию атомов водорода (с 0,007 до 0,006 или 0,008 %) также приведёт к неблагоприятным для жизни последствиям[19]. При этом стабильным должен быть также и дейтерий, поскольку в противном случае не был бы возможен обычный путь образования элементов тяжелее водорода. Дейтрон является стабильным, поскольку нейтрону, как выразился И. Новиков, «энергетически невыгодно» распасться в дейтроне на протон, электрон и антинейтрино[20]. Исключительно малая масса электрона по сравнению с другими элементарными частицами регулируется неравенством me<;m. Увеличение массы электрона нарушило бы это неравенство, что привело бы к катастрофическим последствиям[21]. В то же время для существования сложных структур необходимо неравенство ;m<;св+mе, требующее малую разность масс нейтрона и протона[22]. По другим подсчётам, для объекта размером с человека изменение величины заряда электрона или протона на одну миллиардную долю привело бы к разрыву объекта силой электростатического отталкивания[16].
Другие параметры[править | править код]
 
Для иллюстрации «подгонки» исходного значения плотности вещества во Вселенной (1 с точностью до одной стотриллионной) Митио Какупривёл пример карандаша, стоящего на острие грифеля несколько лет[23]
Для существования атомов необходима, помимо прочего, квантовая механика[3], которая предотвращает нарушения орбит электронов, например, при взаимодействии атомов. В целом, по Хокингу, если значение плотности вещества ;0 (где 0 — указание на то, что все величины относятся к нашей эпохе) в стандартной модели Вселенной существенно отличается от ;0с, то во Вселенной должны развиваться анизотропные возмущения[1]. Однако, поскольку наблюдения свидетельствуют о высокой изотропии Вселенной, то в нашей Вселенной выполняется соотношение ;0~;0с[1]. При этом, если ;0;;0с, то расширение частей Вселенной друг относительно друга будет происходить слишком быстро для образования устойчивых образований галактического типа; если же ;0;;0с, то время жизни Вселенной оказывается слишком малым для развития в ней высокоорганизованной материи[1]. Определённая величина тёмной энергии также является одним из свойств, «подогнанных» для существования звёзд и галактик: по мнению Стивена Вайнберга, проблема космологической константы — «чрезвычайно точная настройка, более того, её нельзя рассматривать как простую случайность»[19].
Существование белковой жизни зависит также от процессов образования углерода, который в настоящее время является единственным природным элементом, способным формировать из цепочек атомов молекулы почти неограниченной длины[24], что необходимо для образования ДНК, РНК и белков[24]. Весь углерод во Вселенной, как считается, сформировался внутри звёзд и был распылён по пространству их взрывами[24].
Простейший путь слияния двух альфа-частиц для образования сложных элементов вроде углерода крайне неэффективен, поскольку реакция 2He4 Be8 приводит к появлению нестабильного нуклида бериллий-8. Поэтому была выдвинута гипотеза о том, что основной формой образования сложных элементов является реакция ЗНе4 С12. Если же реакция происходит с образованием основного состояния ядра углерода-12, то её скорость мала. В 1953 году Фред Хойл предсказал существование энергетического уровня ядра углерода-12 с энергией 7,7 МэВ, необходимого для не слишком низкой скорости тройной гелиевой реакции, и пришёл к выводу, что Вселенная есть «результат спланированного действия»[25]. При смещении или отсутствии этого уровня все элементы с ;>2 имели бы ничтожное относительное содержание. В противоположном гипотетическом варианте — существовании стабильного бериллия-8 — реакция 2He4 Be8 происходила бы так бурно, что существование звёзд главной последовательности заканчивалось бы на гелиевом цикле[1]. Однако, как отмечает астрофизик Джейсон Лисли, модель Большого Взрыва может объяснить существование лишь трёх лёгких элементов — водорода, гелия[26] и следовых количеств лития[27]. В настоящее время считается, что тяжёлые элементы образовались в центрах звёзд посредством ядерного синтеза и были затем рассеяны взрывами сверхновых. Это предположение связано, однако, с определёнными трудностями ввиду того, что до сих пор не найдены звёзды третьего населения и звёзды, состоящие только из вышеупомянутых трёх лёгких элементов.
Возможные объяснения[править | править код]
Более общая теория[править | править код]
Вполне возможно, что большое количество физических констант, от «правильных» значений которых зависит существование жизни, подобной нашей, является всего лишь следствием более общей, ещё неизвестной нам физической теории. Когда эта теория будет построена, она вскроет механизмы, благодаря которым константы принимают своё значение, и объяснит, почему константы имеют именно такое значение, а не какое-то другое. Возможно, константы имеют такое значение, потому что они и не могут быть другими в принципе. Наиболее подходящими кандидатами, способными сократить количество свободных параметров и предполагающими единственность Вселенной, являются теории суперструн, но и они, как считается, требуют наличия определённой тонкой настройки[7]. Хотя ландшафт теории струн однозначно задаёт весь набор физических констант, в том числе — характеристик элементарных частиц, в настоящий момент существует проблема выбора и обоснования выбора именно того «ландшафта», который будет описывать нашу вселенную. Данная проблема получила название «проблемы ландшафта».
В качестве других известных альтернативных объяснений были предложены единая нелинейная теория Гейзенберга и теория Планка, где значения всех констант определяются исключительно константами G, ; и c. Нелинейная теория, однако, натолкнулась на существенные затруднения (неперенормируемость[en], трудности с описанием слабого взаимодействия и др.), в то время как теория Планка не нашла конкретного воплощения[1].
Мультивселенная[править | править код]
Основная статья: Мультивселенная
Основная статья: Антропный принцип
Идее более общей теории, как отмечает Пол Дэвис, противостоит теория мультиверса, или мультивселенной. Идея заключается в том, что возможно существование большого числа вселенных с различными физическими константами. Также есть «экзотическая» теория о том, что фундаментальные константы могут медленно изменяться в пространстве и времени, поэтому вместо дискретных вселенных существуют отдельные «островки» с «правильными» значениями квази-констант, на одном из которых мы сейчас и находимся[28]. Например, ландшафт М-теории допускает существование не менее 10500 различных вакуумов, отличающихся друг от друга способами компактификации дополнительных пространственных измерений и другими параметрами. В этих вакуумах будут разные законы физики, параметры элементарных частиц и фундаментальные константы.[29] Можно ожидать, что среди огромного набора вселенных (или областей одной Вселенной) с разными значениями констант наверняка найдётся такая вселенная (или область), чей набор констант подходит для возникновения жизни. Именно в этой области жизнь и возникла. Поэтому мы и наблюдаем вокруг себя Вселенную со значениями констант, подходящими для возникновения жизни.
Научный редактор журнала «Вокруг света» Александр Сергеев в своей статье «Вселенная для человека?» пишет, что идея мультивселенной является «наиболее естественным объяснением тонкой настройки Вселенной». Однако он также отмечает, что самый существенный недостаток теории — сложность экспериментальной проверки, из-за чего эта теория была поначалу скептически воспринята научным сообществом[28]. В случае с мультивселенной необходимо также учесть эффект избирательности наблюдения, который, как показал Бостром, даёт серьёзные теоретические осложнения[7].
Нередко идею мультивселенной отождествляют[28] с антропным принципом: «само существование человечества свидетельствует, что законы нашей Вселенной ему благоприятствуют»[18]. Хотя сам принцип при беглом прочтении может показаться тавтологией или трюизмом, на самом деле он как раз указывает на возможность существования большого числа вселенных с различными физическими законами[18], предполагая, что если их достаточно большое число, то хотя бы в одной из них получатся именно те параметры, которые позволят нам существовать и наблюдать вселенную.
В 1980 году американский физик Алан Гут предложил принципиально новую модель (по сравнению с моделью горячей вселенной) — инфляционную модель Вселенной. В процессе её доработки и изучения (в частности, при создании теории хаотической (вечной) инфляции) стало ясно, что развитие по этой модели неизбежно приводит к появлению мультивселенной. В этой модели «инфляция» является как раз тем, что даёт возможность реализоваться всем ложным вакуумам, которые возможны. При этом, как отмечает автор журнала прикладной механики Алексей Левин, конкретный набор параметров в каждой вселенной вполне может определяться уже упомянутой струнной теорией (или M-теорией)[18][29].
Космологический естественный отбор[править | править код]
Ещё один вариант объяснения «тонкой настройки» — это теория космологического естественного отбора, предложенная физиком-теоретиком Ли Смолиным в книгах «Жизнь космоса»[30] и «Возвращение времени»[31] и напоминающая дарвиновскую теорию эволюции. Основная идея Смолина состоит в том, что законы физики должны меняться (эволюционировать) со временем. В качестве одного из возможных сценариев того, как это может происходить, он предложил следующую модель. Всякий раз, когда в какой-то вселенной возникает чёрная дыра, то есть сингулярность, из этой сингулярности путём Большого взрыва рождается новая вселенная (но в своём пространстве-времени, а не в исходном). При возникновении новой вселенной ей передаются «по наследству» законы физики и значения фундаментальных констант вселенной-предка, но с небольшими случайными «мутациями», то есть отклонениями от исходных значений. Те вселенные, чьи законы физики не позволяют образовываться устойчивым системам (атомам, звёздам, вращающимся вокруг них планетам и т. д.), вследствие этого не формируют чёрные дыры, а значит, не оставляют «потомства». И наоборот, те вселенные, чьи законы физики позволяют образовываться, например, звёздам, вырабатывающим углерод, производят много чёрных дыр, а значит, и вселенных-потомков, которым передают по наследству свои законы физики. Таким образом идёт космологический естественный отбор вселенных по способности формировать макроскопические тела, звезды, углерод, а значит и жизнь.
Например, чтобы могли образоваться чёрные дыры, должны образоваться устойчивые звёзды. Для этого пространство должно иметь три макроскопических (не компактных) измерения, Вселенная должна просуществовать достаточно долго. А чтобы этих чёрных дыр произвелось как можно больше, Вселенная должна быть ещё и достаточно большой. Если бы звёзды не могли производить углерод, то они не могли бы превращаться в чёрные дыры, а значит, в ходе космологического естественного отбора законы физики должны настроиться и на производство углерода. И так далее. Другими словами, получается, что те свойства Вселенной, которые нужны для образования как можно большего числа чёрных дыр, подходят и для развития жизни. Таким образом, свойства Вселенной в ходе космологического естественного отбора настроились для формирования чёрных дыр, а возможность возникновения жизни — «побочный эффект» этого процесса.
По мнению Смолина, его модель лучше, чем антропный принцип, объясняет «тонкую настройку Вселенной», необходимую для появления жизни, так как имеет два важных преимущества[32].
1. В отличие от антропного принципа, модель Смолина имеет физические следствия, которые поддаются проверке наблюдениями. Смолин утверждает, что наблюдения уже много раз могли бы опровергнуть его теорию, но пока что этого не произошло.
2. Жизнь во множественных вселенных возникает не случайным образом, а закономерно: больше «потомков» в ходе отбора имеют те вселенные, параметры которых приводят к возникновению большего числа чёрных дыр, и эти же параметры, по предположению Смолина, благоприятствуют возможности зарождения жизни.
Разумный замысел[править | править код]
Основная статья: Разумный замысел
Средневековый теолог, смотревший в ночное небо глазами Аристотеля и видевший ангелов, двигающих в гармонии сферы, стал современным космологом, который смотрит в то же небо глазами Эйнштейна и видит десницу Божью не в ангелах, а в константах природы…
Оригинальный текст (англ.)  [показать]
Тони Ротман[en], американский физик-теоретик[33]
В 1990 году вышла работа Ричарда Суинбёрна «Аргумент от тонкой настройки Вселенной» (англ. Argument from the Fine Tuning of the Universe), где была предложена теистическая трактовка тонкой настройки на основе вероятностной теоремы Байеса. Суммируя одно из предположений Суинбёрна, философ Уильям Крэйг[en] привёл пример расстрельной команды из ста снайперов, после залпа которой заключённый остаётся в живых[34]. Развивая этот мысленный эксперимент, Росс отмечает, что заключённый «может приписать сохранение своей жизни невероятному везению, но намного разумнее предположить, что ружья были заряжены холостыми патронами, или что снайперы намеренно стреляли мимо»[13].
Однако математик Майкл Икеда и астроном Уильям Джефферис в своей статье «Антропный принцип не поддерживает сверхъестественность» (англ. The Anthropic Principle Does Not Support Supernaturalism) математически доказывают, что наличие тонкой настройки является скорее аргументом против теории разумного творения и поддержания жизни (т. н. аргумент Икеды — Джеффериса). Из доказанной ими теоремы следует, что в том случае, когда законы природы благоприятны для существования и/или возникновения жизни, вероятность вмешательства в эти процессы некоего «разумного творца» ниже, чем в случае произвольных законов природы, при которых жизнь всё же существует (потому что в первом случае во вмешательстве творца меньше необходимости). К этому выводу можно прийти чисто логическим путём, без математики, что было сделано Джоном Стюартом Миллем в работе «Теизм» (1874)[35]. Стоит заметить, однако, что этот аргумент касается лишь предположительных вмешательств творца в процессы зарождения и/или существования жизни в уже существующей Вселенной при уже заданных в ней законах природы и значениях констант, но не относится к вопросу о том, каким путём возникли сами эти законы природы и как фундаментальные физические константы приняли своё значение.
Фундаментальные константы — основа теоретической физики, но их природа загадочна. Если бы хоть одна из них немного изменилась, в нашей Вселенной никогда бы не зародилась жизнь. Неужели мы живем в космосе, который и впрямь создан неким Творцом? А, может,нам повезло, и мир случайно возник таким, каков он есть? Или наша Вселенная окружена множеством параллельных миров, наделенных самыми разными свойствами?

Над решением этой проблемы давно бьются физики, философы, богословы. Физические константы поразительно точно согласованы друг с другом. Если бы они были хоть немного иными, то не возникло бы ни звезд, ни планет, ни живых существ, ни, разумеется, ученых, пытающихся понять тайны мироздания. Мы живем во Вселенной, где при малейшем изменении любой из констант жизнь пресеклась бы. И, тем не менее, мы живем в этой Вселенной. Так неужели та уникальная комбинация законов природы и физических констант, давшая нам жизнь, абсолютно случайна? Этот вопрос все чаще обсуждается на страницах научных изданий.

"Хотя физические константы — это всего лишь числа, на самом деле они гораздо больше, чем просто числа. Они — тайный шифр, с помощью которого мы, наверное, когда-нибудь разрешим загадку мироздания, — полагает Джон Бэрроу, профессор Кембриджского университета и автор вышедшего недавно бестселлера "1х1 мироздания". — Физические константы кодируют фундаментальные тайны Универсума. Они выражают вкупе пределы нашего знания и незнания. С одной стороны, мы готовы все точнее измерять значения этих констант, а, с другой стороны, истолковать их не можем — не объяснили до сих пор смысла ни одной из констант".

Эти наборы цифр, именуемые константами, скрывают от нас последнюю тайну мироздания. Система констант напоминает затейливо выстроенный карточный домик. Пока ни одна карта не дрогнет, непоколебимо высится вся постройка. Однако стоит изменить положение хоть одной карты, как конструкция зашатается и рухнет.

Физики любят и ненавидят константы одновременно. Теоретическая наука немыслима без них, но ученых язвит мысль, что некоторые константы открыты их коллегами "на кончике пера" — добавлены в уравнения "ради стройности теории".

Цемент мироздания

В учебниках физики к константам такое же благоговейное отношение, как в Книге книг к десяти заповедям Господним. Что же такое эти загадочные величины? Они и впрямь универсальны? "Если говорить о физике, они суть высшее откровение, которое может быть явлено разумным существам, населившим Вселенную", — отозвался о них Бэрроу. Почему же константы приняли те значения, какие приняли? И могут ли они стать иными, то есть измениться, если они — константы?

Мир, созданный Homo technicus, основан на наших представлениях о законах, действующих в природе, на знании их. Физические константы — неотъемлемая часть этих законов, их обязательная составляющая. Если сравнить мир, который "построил Бог", с домом, который горазд построить любой Джек, то законы природы — это строительный план, по которому будет возводиться дом, а константы — то, что скрепляет отдельные части дома, будь то клей, раствор, гвозди и винты. Физические константы, как выразился обозреватель немецкого журнала "Bild der Wissenschaft", это "цемент мироздания". Их можно назвать еще и PIN-кодом нашей Вселенной, без знания которого не откроются ее тайны. Их точное знание нужно для того, чтобы объяснять, постигать и предсказывать явления, наблюдаемые в природе, а также чтобы проверять справедливость научных теорий и гипотез.

Пока же невозможно даже оценить, сколько всего существует подобных констант. Во-первых, очевидно, удалось отыскать еще не все константы, а, во-вторых, некоторые из них, считающиеся фундаментальными, видимо, можно свести к другим константам или получить путем сложных математических вычислений.

В Стандартной модели элементарных частиц насчитывается 26 констант, измеренных экспериментальным путем и используемых в теоретических расчетах. Немалую часть их составляют значения массы элементарных частиц — кварков, лептонов, бозонов. Уже сейчас теоретики косо смотрят на эту "табель мер и весов", считая, что 26 констант в одной только квантовой физике — явный перебор.

А ведь на уровне кварков и лептонов мир не кончается. Константы есть и в Макрокосме. Пока никто не скажет, сколько их требуется, чтобы скрепить неколебимые устои мироздания. Всего в новейшем перечне, который составила группа известных физиков — Макс Тегмарк, Энтони Агирре, Мартин Рис и нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек, — содержится 11 космологических констант.

Вместе с постоянными, правящими миром на уровне Микрокосма, получается: 11 + 26. Итого 37 констант, но споры об их числе продолжаются. В этой дискуссии давно наметился радикальный поворот. Физики пытаются определить минимальное число констант, описывающих мир.

Так, по мнению известного российского физика Льва Окуня, теоретически достаточно трех фундаментальных констант — скорости распространения света в вакууме (с), гравитационной постоянной (G) и постоянной Планка (h). "Три фундаментальные константы — это единственно возможный базис, пригодный для описания основ физики. Все свыше этого было бы лишним".

Кстати, еще в 1874 году английский физик Джордж Стони предложил "троицу физических первосущностей": скорость распространения света в вакууме (с), гравитационную постоянную (G) и элементарный электрический заряд (е), существование которого он предположил незадолго до того (то есть заряд электрона. — А.Г.). В 1899 году Макс Планк заменил в этой троице заряд электрона квантом действия (h), за которым закрепилось название "постоянной Планка", — основным параметром квантовой физики. Он помогает вычислить "длину Планка", "время Планка" и "массу Планка", а значит определить три основополагающих физических характеристики — длину, время и массу.

Однако три "первосущности" — не предел. Сам Планк мечтал о теории, в которой найдется место одной-единственной константе, а все остальные станут производными от нее. Итальянский физик Габриель Венециано, внесший немалый вклад в развитие теории струн, намерен обойтись двумя константами: скоростью света и новой, пока еще спорной константой — длиной струны (ls). Последняя играет важнейшую роль в теории струн, согласно которой все элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия определяются вибрацией неких микроскопически крохотных струн (см. "3-С", №3/2003). Постоянная Планка, как и гравитационная постоянная, — лишь производные от длины струны.

Майкл Дафф из Мичиганского центра теоретической физики поступил еще радикальнее — упразднил все физические константы, считая их "произвольными конструкциями, плодом наших умствований". Упомянутая выше троица базовых констант (G, с, h), по его мнению, лишь трансформирует одни размерности в другие. (Скорость света преобразует энергию в массу (E = mc2), h — энергию в частоту (Е = hv), a G посредством радиуса Шварцшильда — массу в длину (R = 2GM/c2). Ученым же следует поискать некие мерила, "подлинно существующие в природе", пишет Дафф, например, характеристики черных дыр.

Оазисы космического ландшафта

Открытия, сделанные в последние десятилетия, являют нам неожиданную истину: сам факт существования нашей цивилизации обусловлен тем, что физические константы приняли единственно верные значения, при которых только и возможна жизнь на Земле. Физики и космологи говорят о невероятно точной юстировке "вселенского хаоса", сравнимой, хотя бы приближенно, с настройкой концертного рояля, где сотня струн должна издавать гармонично сплетающиеся звуки. О, если бы речь шла только о сотне струн, а не о протянувшемся в бесконечность мироздании!

Все чаще слышатся разговоры об "антропном принципе", о том, что мир устроен так, чтобы здесь мог жить человек. Если бы не было этой изначальной мировой гармонии, то Вселенная была бы безвидна и пуста. Ученые не хотят верить в странное совпадение, в "ее величество Случайность", а потому ищут разгадку космического чуда.

"Мы знаем, что крохотные оазисы, в которых физические константы принимают нужные нам значения — значения, благоволящие зарождению жизни, — окружены бескрайними пустынями параметров, что исключительно враждебны жизни", — так охарактеризовал нынешние научные представления немецкий физик Хеннинг Генц, автор книги "Как законы природы сотворяют реальность?".

Поразительно, что эти "оазисы" существуют, что Вселенная со всем ее многообразием все-таки возникла. Но в чистой ли случайности дело? Чем объяснить согласие "космического оркестра"? У всякой случайности должна быть своя подоплека! Есть разные объяснения точной настройке "вселенского механизма".

• Теория "мировой формулы". Все предопределено некоей фундаментальной теорией — "формулой мироздания", "мировой формулой", обуславливающей все и вся. Мир — лишь форма проявления той изначальной сущности, что диктует константам их значения.

• Теория "мирового ансамбля". Есть множество параллельных Вселенных (см. "3-С", №12/2006), имеющих свои специфические параметры. Среди них — наша, чего доброго, единственная, где могла зародиться жизнь.

• Теория "Творца". Образ нашего мироздания предначертан свыше — Природой или некоей сознательной силой, диктующей миру его свойства.

В некотором роде эти объяснения даже не противоречат друг другу. Например, может существовать множество Вселенных, обладающих самыми разными свойствами, причем все их создал некий "Творец" — Бог, что, впрочем, не в силах доказать ни современные ученые, ни, может быть, и Он сам — что ж, на все воля и неволя Господня!

"