Жизнь, галактики и фундаментальные числа природы

Даже небольшие отклонения от настоящих значений большинства фундаментальных констант в природе сделают жизнь в привычном нам виде невозможной. Увеличьте гравитационную постоянную, звёзды начнут сгорать быстрее и жизнь на близлежащих планетах не будет успевать развиваться. Уменьшите её, и галактики распадутся на части. Усильте электромагнитное взаимодействие, и атомы водорода будут отталкиваться друг от друга слишком сильно, чтобы образовывать устойчивые соединения, и это лишит звёзды необходимого топлива.72 Но как быть с космологической постоянной? Зависит ли существование жизни от её значения? Именно этот вопрос поднял Стивен Вайнберг в своей статье 1987 года.

Понимая, что зарождение жизни является сложным процессом, о котором мы мало что понимаем, Вайнберг решил, что безнадёжно пытаться выяснять, каким образом то или иное значение космологической постоянной напрямую влияет на мириады явлений, вдыхающих жизнь в мёртвую материю. Однако Вайнберг не отступил от цели, а нашёл хитроумного посредника для задачи о зарождении жизни — зарождение галактик. Без галактик, рассуждал он, образование звёзд и планет станет сомнительным и не оставит никакого шанса на зарождение жизни. Такой подход к проблеме не только в высшей степени разумен, но ещё и полезен: он переносит акцент на рассмотрение того, как разные значения космологической постоянной влияют на процесс образования галактик, а эту задачу можно уже попытаться решить.

Суть физического процесса элементарна. Хотя точные детали образования галактик являются отдельной областью активных исследований, в общих чертах процесс напоминает эффект снежного кома в астрономических масштабах. Как только где-то возникает сгусток вещества, то в силу своей повышенной плотности он оказывает большее гравитационное притяжение на находящуюся поблизости материю, в результате чего ком ещё больше увеличивается. Этот процесс всё нарастает и нарастает, и наконец образуется разогретая масса пыли и газа, из которой появляются звёзды и планеты. Идея Вайнберга состояла в том, что если космологическая постоянная будет иметь достаточно большое значение, то она прервёт такой комообразующий процесс. Порождаемое космологической константой гравитационное отталкивание может оказаться достаточно сильным, чтобы прервать процесс зарождения галактик на начальной стадии образования кома, когда он ещё мал и хрупок, так что составляющее его вещество разлетится прежде, чем ком успеет укрупниться, притягивая окружающее вещество.

Вайнберг сделал математические расчёты и обнаружил, что если значение космологической постоянной в несколько сотен раз превысит современную космологическую плотность вещества — несколько протонов на кубический метр, — то процесс образования галактик нарушится. (Вайнберг также рассмотрел случай отрицательной космологической постоянной. Возникающие при этом ограничение ещё сильнее, потому что отрицательное значение приводит к росту гравитационного притяжения и заставляет всю Вселенную схлопнуться прежде, чем звёзды успеют зажечься.) Если теперь представить, что мы являемся частью мультивселенной, в которой значения космологической постоянной изменяются в широком диапазоне от вселенной к вселенной, так же как изменяются и расстояния от планет до их звёзд от одной солнечной системы до другой солнечной системы, — то единственные вселенные, в которых возможны галактики, и, следовательно, единственные вселенные, в которых мы можем жить, это те, где космологическая постоянная принимает значения, не превышающие предел Вайнберга, что составляет примерно 10−121 в планковских единицах.

На фоне многолетних безуспешных попыток работа Вайнберга стала первой, где были получены теоретические значения для космологической постоянной, не превышающие до абсурдной степени ограничений, накладываемых наблюдательной астрономией. При этом она не противоречила широко распространённому в то время убеждению, что космологическая постоянная равна нулю. Сам Вайнберг не остановился на этом и сделал шаг вперёд, придав этому результату следующую интерпретацию. Он предложил, что мы находимся во вселенной, в которой космологическая постоянная мала настолько, насколько необходимо, чтобы мы смогли существовать, но не значительно меньше. Значительно меньшая константа, рассуждал он, потребует объяснения, выходящего за рамки простого утверждения о согласованности с нашим существованием. Именно такого объяснения, которое всё это время доблестно искала наша физика, но не нашла. Это позволило Вайнбергу предположить, что однажды с помощью более точных измерений будет установлено, что космологическая постоянная не равна нулю, а имеет значение, близкое или пограничное с вычисленным им пределом. Как мы видели, спустя десять лет после появления работы Вайнберга, наблюдения в рамках проекта «Supernova cosmology» и поисковой группы «High-Z Supernova» подтвердили это пророческое предсказание.

Для полного осознания всей нестандартности этого подхода к объяснению давней проблемы рассмотрим более подробно ход рассуждений Вайнберга. Он полагал, что в мультивселенной должно быть так много вселенных, что обязательно должна найтись по крайней мере одна вселенная с наблюдаемым значением космологической постоянной. Но какой должна быть мультивселенная, чтобы это произошло наверняка или с высокой степенью вероятности?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим сперва аналогичную проблему, но с более простыми и понятными числами. Представьте, что вы работаете на известного кинопродюсера Харви В. Айнштейна, который попросил вас провести кастинг на исполнителя главной роли в его новом фильме «Криминальное диво». «Какого роста нужен актёр?» — спрашиваете вы. «Без понятия. Выше метра, ниже двух. Но ты должен быть уверен, что какой бы рост я не выбрал, у тебя должен быть подходящий кандидат». Вы только открыли рот, чтобы поправить вашего босса, сказав, что в силу квантовой неопределённости на самом деле нет никакой необходимости иметь исполнителей любого роста, но, вспомнив, что стало с надоедливой говорящей мухой, вы решили, что лучше промолчать.

Теперь вы стоите перед выбором. Сколько актёров нужно привести на просмотр? Вы думаете так: если В. измеряет рост с точностью до сантиметра, то в диапазоне от одного до двух метров есть сто разных вариантов. Поэтому необходимо иметь по крайней мере сто актёров. Но так как некоторые актёры могут оказаться одинакового роста, и тогда какой-то рост не будет представлен, то лучше собрать больше сотни. Чтобы подстраховаться, возможно, следует позвонить нескольким сотням актёров. Это много, но меньше, чем понадобится, если И. начнёт измерять рост с точностью до миллиметра. В этом случае в пределах от одного метра до двух есть тысяча разных вариантов, поэтому будет надёжнее собрать несколько тысяч актёров.

Похожие рассуждения применимы и для вселенных с разными космологическими постоянными. Предположим, что все вселенные в мультивселенной обладают космологическими константами со значениями между нулём и единицей (в обычных планковских единицах); при меньших значениях вселенные будут схлопываться, а при больших значениях применимость наших математических методов будет под вопросом, и понимание ситуации, соответственно, тоже. Итак, подобно актёрам, чья разница в росте варьируется от 0 до 1 (в метрах), космологические постоянные вселенных варьируются от 0 до 1 (в планковских единицах). Если думать о точности измерений, то аналогом того, как В. изменяет рост с помощью сантиметровой или миллиметровой линейки, будет погрешность, с которой мы можем измерить космологическую постоянную. Погрешность современных измерений составляет примерно 10−124 (в планковских единицах). В будущем, точность измерений конечно же возрастёт, но как мы увидим, это вряд ли повлияет на наши выводы. Тогда подобно тому, как в диапазоне в один метр имеется 102 различных возможных отметок для роста, разделённых между собой интервалом по меньшей мере в 10−2 метра (1 сантиметр) и 103 различных возможных отметок для роста с интервалом по меньшей мере в 10−3 метра (1 миллиметр), существует 10124 различных значений космологической постоянной с интервалом 10−124 в диапазоне значений от 0 до 1.

Чтобы гарантировать реализацию каждого возможного значения космологической постоянной, необходимо иметь мультивселенную, в которой по-меньшей мере 10124 разных вселенных. Но как и в ситуации с актёрами необходимо учитывать возможные повторения — вселенные с одинаковыми значениями космологической постоянной. Чтобы каждое значение космологической постоянной наверняка было реализовано, следует располагать мультивселенной с числом вселенных, гораздо большим, чем 10124, например в миллион раз бо́льшим, что даст красивую цифру 10130. Я так непринуждённо жонглирую этими числами, потому что они настолько велики, что точное значение вряд ли является важным. Ни один из известных примеров чего-либо, будь то число клеток в человеческом теле (1013), число секунд, прошедших с момента Большого взрыва (1018), число фотонов в наблюдаемой части Вселенной (1088), даже близко не похоже на воображаемое число вселенных. Подводя итог, можно сказать, что подход Вайнберга для объяснения значения космологической постоянной применим, только когда мы являемся частью мультивселенной, содержащей огромное число различных вселенных; их космологические постоянные должны принимать примерно 10124 различных значений. Только в случае такого гигантского количества вселенных существует вероятность, что среди них найдётся одна с нашим значением космологической постоянной.

Здесь возникает вопрос, есть ли теоретические модели, которые естественным образом приводят к такому захватывающему изобилию вселенных с разными космологическими постоянными?73