Лекция: Число N и гравитация
Согласно современным космологическим концепциям, размер вселенной и размер населяющих ее существ и существующих в ней объектов зависят от соотношения между силами электромагнетизма и гравитации (Rees. 2000. Pp. 27–31). Атомы состоят из мельчайших частиц с разным электрическим зарядом. Среди этих частиц есть электроны и протоны. Электроны заряжены отрицательно, а протоны – положительно. Частицы атома с разными зарядами притягиваются друг к другу, и поэтому атом не распадается. Сила земного притяжения также играет определенную роль в создании атома, но она значительно слабее, чем электромагнитное притяжение. Соотношение этих двух сил определяется следующим образом: нужно разделить силу электромагнитного притяжения на силу притяжения земли. Получившееся число (N) равно 10**36, то есть сила гравитации в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз меньше, чем сила электромагнитного притяжения.
На уровне атомов гравитация почти не чувствуется. Но в больших масштабах эта сила оказывается весьма значительной, несмотря на то, что она во много раз меньше электромагнетизма. Отрицательные и положительные заряды нейтрализуют друг другу. Это значит, что в крупных масштабах мы не чувствуем электромагнитного притяжения (за исключением тех случаев, когда заряды совмещаются, как в магнитах или при электрическом токе). Земное притяжение всегда положительно. Чем больше весит предмет, тем больше будет его притяжение. Сила притяжения возрастает пропорционально весу объекта. Общая сила притяжения всех атомов земли удерживает нас на ее поверхности. Именно сила притяжения определяет, насколько большие существа могут жить на планете. Если бы притяжение было чуть больше, максимально возможный вес населяющих ее существ был бы меньше. Давайте представим, что число N было бы 10**30 вместо 10**36. Тогда гравитация была бы «только» в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз меньше электромагнитного притяжения. В результате такого совсем небольшого изменения сила земного притяжения настолько возрастет, что никто тяжелее насекомых не сможет выдержать давление. И даже таким маленьким созданиям как насекомые понадобятся мощные лапы. И это еще не все.
Все во вселенной стало бы значительно меньше. Например, понадобилось бы в миллиард раз меньше атомов для появления звезды. Сейчас принято считать, что звезды появляются, когда гравитационная сила атомов водорода и гелия заставляет газы конденсироваться. Когда газ конденсируется, он нагревается, когда он становится достаточно горячим и достаточно плотным, он вызывает реакцию синтеза. При этом жар выталкивает материю наружу, а сила притяжения удерживает ее. Баланс между движением наружу и внутрь определяет размер звезды. Звезда должна быть достаточно большой, чтобы молекул газа хватило для формирования сердцевины, и чтобы давление газа было достаточным для начала реакции.
При этом должна сохраняться масса для поддержания высокой температуры, которая появляется как результат реакции при попытке вытолкнуть всю материю в открытый космос. То есть звезды должны быть довольно большими. Если бы сила притяжения была выше, понадобилось бы меньше атомов. Если бы число N было равно 10**30 вместо 10**36, понадобилось бы в миллиарды раз меньше атомов, чтобы преодолеть силу выталкивания. Звезды были бы во много раз меньше и ядерные реакции проходили бы гораздо быстрее. Если верить Рису (Rees. 2000. P. 31), средний срок жизни звезды был бы 9 тысяч лет вместо 10 миллиардов. Это бы негативно сказалось на возможности биологической эволюции в таком виде, какой мы наблюдаем сейчас. Галактики также будут значительно меньше, а звезды в них будут располагаться гораздо плотнее. Из‑за этого орбиты планет пересекались бы со звездами. Стоит напомнить, что существование жизни возможно только при стабильном движении планеты по орбите. Если бы орбита нашей планеты была нестабильной, резкие перепады температур сделали бы жизнь здесь невозможной. Так почему же у числа N задано именно такое значение? Рис (Rees. 2000. P. 31) говорит: «у нас никаких предположений о том, почему значение числа N такое, какое есть. Мы лишь знаем, что такая сложнейшая система как человек не могла появиться, если бы значение числа N было меньше, чем 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000».
Энергия связи E (эпсилон)
Энергия связи – еще один фактор, который ощутимо влияет на характеристики нашей вселенной (Rees. 2000. Pp. 43–49). Она определяет формирование атомов и то, как проходят ядерные реакции. Безусловно, все это влияет на существующие формы жизни.
В атомах разных уровней разная энергия связи. Для нас самое большое значение имеет энергия связи молекул гелия. Согласно исследованиям астрофизиков, первое поколение звезд превращает водород в гелий. Ядра атома водорода содержат один протон. Ядра дейтерия, изотопа водорода, содержат один протон и один нейтрон. Когда соединяются два атома дейтерия, образуется один атом гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Масса ядра атома гелия равна 0,993 (99,3%) массы двух протонов и двух нейтронов. В процессе реакции 0,007 (0,7%) массы превращается в энергию, в основном, в тепло. Это число 0,007 и есть энергия связи ядра атома. Она связана с ядерной силой, которая удерживает вместе протоны атома. Рис пишет: «количество освобожденной в процессе реакции энергии зависит от силы, которая „склеивает“ те частицы, из которых состоит ядро» (Rees. 2000. P. 48). Чем больше энергия связи, тем больше ядерная сила. Протоны в ядрах заряжены положительно, а положительные заряды должны отталкивать друг друга. Но сильное ядерное взаимодействие преодолевает это разнонаправленное движение и удерживает протоны вместе. Мы не чувствуем этих сил, поскольку все они проявляются только на уровне атомов.
Если бы значение E было немного другим, атомная структура была бы совсем другой. Например, если бы значение е было равно 0,006 вместо 0,007, это бы означало, что ядерная сила была бы меньше, чем сейчас. Этого было бы достаточно, чтобы не дать возможности появиться элементам более тяжелым, чем водород. Более тяжелые элементы формируются с помощью новых протонов в ядре атома. Водород, в ядре которого один протон, является самым легким элементом. У железа 26 протонов. Но путь к железу и к более тяжелым элементам лежит через водород и гелий. В ядре гелия обычно два протона и два нейтрона. Значит, переход от водорода к гелию требует еще одного шага, – превращения водорода в дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Потом два ядра дейтерия соединяются и образуют одно ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Сила энергии связи протонов и нейтронов в ядре атома гелия высвобождает некоторое количество энергии. Итак, если эта энергия связи была бы 0,006 общей массы протонов и нейтронов вместо 0,07, ядерная сила была бы меньше и не дала бы нейтрону соединиться с протоном. Тогда не смогло бы образоваться ядро дейтерия, и, следовательно, не было бы и ядра гелия. Атомы водорода продолжали бы сгущаться в плотные массы, и эти массы бы нагревались. Но реакций бы не происходило, и звезд бы не было. Никаких других элементов бы не возникло. Не было бы ни жизни, ни планет в том виде, в каком они есть сейчас.
Если бы значение е было равно 0,008 вместо 0,007, ядерная сила стала бы, соответственно, немного больше, чем есть. Тогда бы возникла другая проблема в процессе возникновения элементов. Как мы уже поняли, ядерная сила необходима, чтобы удержать протоны вместе. В нашей реальности эта сила не настолько мощна, чтобы стабильно удерживать два протона рядом. Два протона вместе называются дипротон. Во вселенной нет стабильных дипротонов. Это объясняется тем, что сила взаимного отторжения двух положительно заряженных протонов больше, чем энергия связи ядра. Однако этой энергии с числовым значением 0,007 достаточно для того, чтобы привязать протоны к нейтронам, и таким образом получить дейтерий. А уже из двух атомов дейтерия получается атом гелия. Это возможно благодаря тому, что нейтроны дают недостающую энергию связи для удержания двух протонов. Поскольку нейтроны несут нулевой электрический заряд, им не нужна вспомогательная сила отторжения. Давайте теперь посмотрим, что было бы, если бы е было равно 0,008. Тогда два протона смогли бы слиться, получился бы дипротон, изотоп гелия с двумя протонами и без нейтронов. Это значит, что все атомы водорода (в которых по одному протону) в самом начале появления вселенной сформировались бы в дипротоны. В нашей реальности только некоторые атомы водорода становятся атомами дейтерия и гелия, и для этого требуется довольно много времени. Таким образом, во вселенной остается и водород, поскольку он необходим для существования жизни. Барроу и Типлер рассуждали следующим образом: «Если и без того сильное взаимодействие было бы немного сильнее, дипротоны стали бы устойчивыми, и это привело бы к катастрофе – весь водород во вселенной преобразовался бы в гелий на ранней стадии развития вселенной, и сегодня бы не существовало ни водорода, ни постоянных звездных систем. Если бы существовали стабильные дипротоны, – нас бы не существовало!» (Barrow, Tipler. 1996. P. 322). Без водорода не существовало бы и воды, а, следовательно, – и жизни. Постоянные звездные образования так же не смогли бы существовать, потому что водород нужен им как топливо.
Превращение гелия в углерод также может происходить лишь при тех условиях, что существуют в нашей вселенной – и никаких иных (Barrow, Tipler. 1996. Pp. 250–253). Как утверждают современные специалисты по космологии, первые поколения звезд сжигают ядра атомов водорода, и в процессе реакции появляются атомы гелия. Когда в звезде кончается водород, гелиевая сердцевина звезды становится все плотнее. Поднимается температура внутри звезды, и в определенный момент гелий превращается в углерод. У гелия в ядре 2 протона. У углерода же – 6. Теоретически, 3 ядра атома гелия могут превратиться в ядро атома углерода. Но на практике получается по‑другому, поскольку очень маловероятно, что 3 ядра атомов гелия могут в одно мгновение столкнуться именно так, чтобы произвести ядро атома углерода. Происходит другой процесс. Сначала 2 ядра атомов гелия в процессе реакции образуют ядро бериллия с 4 протонами. Потом ядра атомов бериллия сливаются с другими атомными ядрами гелия и образуют атомное ядро углерода. Проблема в том, что атомное ядро бериллия нестабильно и довольно быстро разрушается обратно в атомное ядро гелия. Поэтому, казалось бы, углерода должно производиться совсем мало, – значительно меньше, чем те количества, в которых он реально существует во вселенной. Но английский астроном Фрэд Гойл доказал, что у атомных ядер углерода есть определенный уровень резонансной энергии, который находится чуть выше, чем общий уровень энергий бериллия и гелия. Бериллий и гелий получают дополнительную энергию из тепла солнечного ядра и поднимают атомы бериллия и гелия на нужный уровень, и тогда они быстрее могут превращаться в атомы углерода. Возможно, что весь, таким образом произведенный, углерод мог бы сразу превращаться в кислород, если бы атомные ядра углерода сливались с атомными ядрами гелия. Но уровень резонансной энергии атомов кислорода ниже, чем совместная энергия углерода и гелия. Благодаря такому стечению обстоятельств, реакции между углеродом и гелием не происходит. Таким образом, у нас есть достаточное количества углерода для того, чтобы могла существовать жизнь. Рис отмечал: «Эти „случайные“ совпадения в ядерной физике допускают образование углерода, но на следующей стадии, где должен, по идее, формироваться кислород, этого не происходит. Скорость реакции сильно зависит от силы ядерных взаимодействий. Сдвиг даже на 4% значительно уменьшил бы количество образующегося углерода. Поэтому Гойл доказывает, что наше существование было бы под угрозой, даже если бы значение e уменьшилось на несколько процентов» (Rees. 2000. P. 50). Говоря о точно выверенных резонансах, которые допускают образование более тяжелых элементов в звездной среде, Гойл пишет: «Я не верю, что какой‑либо ученый, который изучал факты, мог не понять, что все законы физики были тщательно продуманы со всеми вытекающими из них последствиями и теми результатами, которые они производят в звездах» (Barrow, Tipler. 1996. P. 22).