Фундамент мира

Фундамент мираФизика описывает мир с помощью формул. И в большинстве из них есть некий коэффициент — константа, которая, принимая числовое значение, превращает этот мир из абстрактного в конкретный. Вот закон тяготения Ньютона: F=?m1m2/r2, здесь ? — гравитационная постоянная. Вот закон Кулона: F=kq1q2/r2. Тут k — коэффициент, отражающий диэлектрические свойства среды, в которой взаимодействуют электрические заряды. Вот закон релятивистского удлинения времени: dt=dt0/(1-v2/c2)1/2, где с — скорость света, то есть максимальная скорость, с которой может двигаться материальный объект. Эти и им подобные законы могут описать любой мир. Но если ? окажется равной 6,67384(80)•10-11 Н•м2•кг-2, а с — 299792458 м/с, то получится наш мир. Отклонения от этих значений вызовут его серьезные изменения, поскольку эти константы входят во множество других формул. Например, о них рассказывает академик Л.Б.Окунь из Института теоретической и экспериментальной физики в «Успехах физических наук», 1991, т. 161, № 9, с. 530.

Представим себе, что скорость света увеличилась на десять порядков, фактически стала бесконечной. В таком мире фотон при той же энергии, что и в нашем (а она определяется расстоянием между электронными уровнями излучившего его атома), будет иметь на десять порядков большую длину волны, а импульс — на десять порядков меньший. Время высвечивания фотона атомом пропорционально квадрату импульса, и тогда оно оказывается сравнимым со временем жизни Вселенной.

То есть фотоны могут поглощаться или ис- пускаться только при непосредственных столкновениях атомов друг с другом. В общем, фотоны полностью отделились бы от вещества. А если сделать скорость света меньше? Тогда сильные изменения наступят очень быстро, ведь снижение ее всего на два порядка сделает сравнимыми энергию покоя электрона и энергию связи электрона с протоном в атоме водорода. Дальнейшее, даже небольшое снижение скорости света сделает первую выше второй, и тогда существование свободных электронов станет невыгодным. При этом протон будет распадаться на атом водорода и позитрон, а свободные электроны создадут с позитронами стабильные атомы позитрония. Очевидно, что это тоже совсем другой мир, непохожий на наш. Подобных примеров можно привести множество, и ведущие физики мира уже не один раз сделали это в своих книгах.

В наблюдаемой нами Вселенной все сложилось на редкость удачно: фундаментальные константы, определяющие основные виды взаимодействий или отвечающие за структуру пространства-времени, оказались как будто специально подогнаны друг к другу, и в результате сумело возникнуть вещество, образовались химические элементы, способные вступать в такие реакции, которые породили белковую жизнь.

Чтобы объяснить это наблюдение, некоторые физики ввели так называемый антропный принцип. Различают две его формулировки — слабую и сильную. Слабый антропный принцип исходит из представлений о том, что существует бесконечно большой ансамбль вселенных с разными значениями фундаментальных констант. Более того, сразу после Большого взрыва возникло бесконечное число миров со всевозможными числовыми значениями фундаментальных констант.

Вероятность появления вселенной с параметрами, которые обеспечивают образование вещества в том виде, какой мы знаем, исчезающе мала. Однако экспериментальные данные, а именно само наше существование и способность наблюдать этот мир, свидетельствуют, что такое маловероятное событие все-таки случилось. Может быть, наш мир оказался единственным устойчивым и поглотил все остальные миры.

Может быть, вокруг нашей Вселенной есть другие вселенные с иным числом пространственных измерений, иными значениями скорости света, постоянной Планка, массы электрона, протона и других параметров. Если эти миры как-то взаимодействуют друг с другом, возможно, когда-нибудь мы сумеем что-то о них узнать.

Сильный антропный принцип прямо ведет к объективному идеализму: Вселенная обязательно должна быть устроена так, чтобы обеспечить себе способность к самопознанию, а оно невозможно без возникновения вещества и созданной из него разумной жизни. В материалистической формулировке он, видимо, превращается в принцип целесообразности, о котором рассуждает доктор физико-математических наук И.Л.Розенталь из Института космических исследований АН СССР («Успехи физических наук», 1980, т. 131, № 2, с. 239).

Он звучит так: наши основные физические закономерности, так же как и численные значения фундаментальных констант, являются не только достаточным, но необходимым условием для существования основных состояний, то есть ядер, атомов, звезд, планет и галактик. Иначе говоря, если изменить что-то в физике (значение фундаментальных постоянных в пределах порядка или исключить одно из внутренних квантовых чисел), то должно произойти не только незначительное количественное изменение в физической картине, но рухнет ее база — существование основных состояний.

Как проявляется принцип целесообразности? Возьмем космологию. Сейчас известно, что плотность вещества во Вселенной немногим больше или немногим меньше, чем критическое значение, определяющее ее будущее — бесконечное расширение или смена его на сжатие. А почему плотность не отличается сильно от этого критического значения? Потому, что, будь масса много больше, Вселенная после Большого взрыва расширится слишком быстро для того, чтобы в ней возникли галактики, а будь она много меньше — время жизни Вселенной оказывается слишком мало, чтобы образовалась высокоорганизованная материя. Аналогичным образом время жизни звезды не может в миллионы раз отличаться от времени жизни Вселенной.

Определенное соотношение между константами, характеризующими гравитационное и электромагнитное взаимодействия, и массами протона с электроном обеспечивает существование звезд и галактик, не позволяя им раствориться в облаках газа. Даже размерность пространства имеет значение: как показал Пауль Эренфест в 1917 году, если она более трех, то устойчивые основные состояния отсутствуют, а в двух- или одномерном мире трудно себе представить существование сложных форм материи.

Мы живем в такой пространственно-временной области, где и когда существует благоприятная комбинация констант. Но было ли так всегда? Может ли быть так, что Вселенная проходит путь от бесструктурности к благоприятной для существования вещества комбинации констант, а потом все это опять распадется? Первым гипотезу об изменении фундаментальных констант с течением времени выдвигал еще Поль Дирак в 1937 году. Пока что, как указывает доктор Мюн- хенского университета Харальд Фритцш («Успехи физических наук», 2009, т. 179, № 4б с. 383), наблюдения дальних квазаров и квантово-оптические эксперименты зафиксировали, что если такие изменения и происходят, то их относительная годовая скорость менее чем 10-15 от интересующей величины.

Минимальный набор фундаментальных констант, необходимых для описания нашего мира, нельзя назвать постоянным и определенным — он меняется по мере развития физики и зависит от взгляда ученого на проблему мироздания. На сути дела это сказывается не особенно сильно, поскольку некоторые константы связаны друг с другом. Так, самая загадочная из фундаментальных констант — постоянная тонкой структуры ?, равная 1/137,03599911(46) — представляет собой комбинацию из заряда электрона, постоянной Планка, которая входит в соотношение неопределенности, и скорости света.

(Эту постоянную ввел в 1916 году Арнольд Зоммерфельд для того, чтобы учесть релятивистские поправки к описанию спектральных линий в рамках модели атома Бора.) Значит, в качестве фундаментальных постоянных можно выбрать любые три из этих четырех констант. Массу протона долго тоже считали константой, определяющей наш мир, однако теперь ее можно получить из положений квантовой хромодинамики как сумму энергии удержания глюонов и кварков в этой частице, а также массы слагающих протон кварков.

Как пишет Л.Б.Окунь, в 30-е годы М.П.Бронштейн предложил так называемое пространство физических теорий, построенное из предположений, что основные константы нашего мира — это скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная. В начале координат находится механика Ньютона, или, вернее, та часть ее, которая не учитывает гравитации (НМ). Над ней расположена нерелятивистская (Ньютонова) гравитация (НГ), справа — квантовая механика (КМ), впереди — специальная теория относительности (СТО). Синтез СТО и КМ дает квантовую теорию поля (КТП). Синтез НГ и СТО дает общую теорию относительности (ОТО). Синтез КМ и НГ дает нерелятивистскую квантовую гравитацию (НКГ). Синтез всех теорий в будущем может привести к всеобъемлющей теории всего (ТВ). Этот куб прочно вошел в фольклор физиков.

В самой свежей статье на тему фундаментальных констант Харольд Фритцш отмечает, что в Стандартной моделе есть 28 фундаментальных констант, необходимых для описания взаимодействий. Это гравитационная постоянная, постоянная тонкой структуры, константы сильной и слабой связи, масса W-бозона, масса бозона Хиггса, массы трех заряженных лептонов — электрона, мезона и тау-лептона, массы трех нейтрино, массы шести кварков, четыре параметра смешения их ароматов и шесть параметров смешения сортов лептонов, которые можно определить из данных по осцилляции нейтрино. Впрочем, число этих констант может и уменьшиться, например, из-за открытия новых взаимодействий. Другая возможность — опровержение недавних экспериментов, доказавших, что на пути от Солнца к Земле некоторые нейтрино успевают поменять свой тип, то есть осциллируют. Однако для устойчивого состояния вещества важны только семь констант: гравитационная постоянная, постоянная тонкой структуры, энергетический масштаб квантовой хромодинамиики, масса электрона и массы верхнего, нижнего и странного кварков.

Насколько наборы констант, лежащие в фундаменте нашего мира, независимы? Нельзя ли их связать друг с другом какой-то формулой или вообще получить независимо ни от чего? Над этой задачей бились многие физики. Вот что писал Ричард Фейнман про постоянную тонкой структуры: «С тех пор как была введена, она остается загадкой на протяжении более пятидесяти лет; любой хороший физик-теоретик записывает ее на стене и думает над ее значением. Сразу же возникает желание узнать, чем определяется численное значение этой константы? Связано ли оно с числом ? или, быть может, с основанием натуральных логарифмов? Никто не знает. Это одна из величайших тайн физики: магическое число, известное и непонятное...» И действительно, уже в 1936 году Вернер