Текст книги "Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную"

ОБЩАЯ КУЛЬТУРА С ИНОПЛАНЕТЯНАМИ?

Инициаторами поисков внеземных цивилизаций были ученые института SETI[7]7
  Англ. SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence. – Прим. пер.


[Закрыть] в Маунтин-Вью, штат Калифорния. Усилия были сосредоточены на поисках радиосигналов искусственного происхождения. В проекте использовались различные крупные радиотелескопы, расположенные по всему миру. Этот вариант знаком нам и по фантастическим произведениям, таким как «Контакт» Карла Сагана (где он в целом оправдал себя). Но радио – это не единственный вероятный способ передачи информации: узкие лучи лазеров могут преодолеть межзвездные расстояния с достаточно скромными затратами энергии. У нас уже есть технологии, с помощью которых мы, если этого пожелаем, можем заявить о своем присутствии на расстоянии в множество св. лет, использовав один из упомянутых методов. На самом деле постоянное излучение радиопередатчиков, радаров и прочей техники, расположенной по всему миру, в любом случае выдаст наше присутствие каким-нибудь инопланетянам с чувствительными радиотелескопами. Нам так мало известно о происхождении и возможном развитии жизни, что очень трудно предугадать, какой метод обнаружения лучше сработает. Поэтому имеет смысл использовать любую доступную методику и быть готовыми к любому возможному развитию событий. Но мы не должны забывать о «наблюдательной селекции»: даже если мы что-то обнаружим, мы не сможем сделать уверенный вывод о типичности данного сигнала, поскольку из-за того, что наши приборы и методы ограниченны, мы делаем пристрастный и неполный отбор из того, что может существовать в действительности.

Возможно, разумной жизни больше нигде нет. Если же такая жизнь существует, она может находиться на планетах, полностью покрытых водой, где «супердельфины» наслаждаются созерцательной жизнью в океане, не предпринимая ничего, что помогло бы их обнаружить. Высока вероятность того, что успеха в поисках внеземного разума достичь не удастся, но планомерные поиски искусственных сигналов – это игра, которая стоит свеч благодаря философскому смыслу любого поиска. Очевидный искусственный сигнал – даже если он будет таким скучным, как список простых чисел или знаков после запятой в числе π, – будет свидетельствовать о том, что «разум» на Земле не уникален и возможен где-то еще. Ближайшие места, где такое могло случиться, находятся так далеко, что сигналу потребуется много лет, чтобы до нас добраться. Только по этой причине передача будет преимущественно в один конец. На то, чтобы послать обдуманный ответ, будет достаточно времени, но обменяться межзвездными остротами не получится!

Любые далекие существа, способные с нами связаться, будут иметь представления о математике и логике, схожие с нашими. Также у них будут схожие знания об основных частицах и силах, которые управляют Вселенной. Их среда обитания может быть другой (а биосфера отличаться еще сильнее), но их тела и их планета будут состоять из таких же атомов, как те, что есть у нас на Земле. Для них, как и для нас, самыми важными частицами будут протоны и электроны: один электрон, обращающийся вокруг протона, – это атом водорода, а электрические токи и радиопередатчики требуют потоков электронов. Протон в 1863 раза тяжелее электрона, и это число будет иметь одно и то же значение для любого разума, способного передавать радиосигналы и заинтересованного в этом занятии. Все основные силы и законы природы будут теми же самыми. На самом деле это единообразие, без которого наша Вселенная была бы совершенно непостижимым местом, распространяется даже на самые отдаленные галактики, доступные астрономам для изучения. (Тем не менее в следующих главах этой книги будут рассуждения о других вселенных, которые навсегда останутся за пределами досягаемости наших телескопов и где могут действовать другие законы.)

Понятно, что инопланетные существа не будут пользоваться метрами, килограммами и секундами. Но мы можем обмениваться информацией о соотношениях двух масс (таких, как, например, соотношение массы протона и электрона) или двух длин. Это «чистые числа», не зависящие от единиц измерения, которыми мы пользуемся: утверждение о том, что одна палка в 10 раз длиннее другой, верно (или неверно), независимо от того, меряем мы длину в футах, метрах или каких-то инопланетных единицах измерения. Как говорил физик Ричард Фейнман, он мог бы рассказать инопланетным существам, что его рост составляет 17 млрд атомов водорода, и они бы его поняли.

Разумная жизнь может не иметь вообще никакого интеллектуального сходства с нашей. Но любые существа, которые передают нам сигналы, должны иметь определенные достижения в области физики. Если у них есть какие-то способности к размышлению, они, безусловно, разделяют наше любопытство по поводу космического события, которое привело к возникновению нас всех. Они, скорее всего, будут интересоваться устройством нашей Вселенной – звездами и галактиками, тем, что в ней находится, как она расширяется, а также ее окончательной судьбой. Эти знания станут частью общей культуры, которую мы разделим с инопланетянами. И как и мы, они отметят, что для нашей общей Вселенной важны несколько ключевых чисел.

Темой этой книги стали шесть таких чисел. Они определяют основные характерные черты Вселенной: то, как она расширяется; могут ли формироваться планеты, звезды и галактики; и может ли быть «химическая» предрасположенность к эволюции. Более того, природа Вселенной заметно чувствительна к этим числам. Если вы представляете себе пульт управления Вселенной с шестью шкалами, то их настройка должна быть очень точной, чтобы создать вселенную, в которой может возникнуть жизнь. Был ли это Промысел Божий или случайность? Являются ли эти числа результатом «теории всего», которая могла определить их единственным образом? Ни одна их этих интерпретаций не выглядит убедительной. В качестве альтернативы я полагаю, что эта явная «настройка» заставляет задуматься о чем-то более значительном: о том, что наблюдаемая нами Вселенная – все, что мы можем видеть с помощью наших телескопов, – это всего лишь часть более крупного образования, в котором могут отличаться даже физические законы. Это всего лишь предположение, но оно вполне сопоставимо с современными теориями.

Мы знаем, что так же, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг других звезд обращаются планеты. Мы можем задаваться вопросом, какие на них условия. Не слишком ли слабая гравитация, чтобы удержать атмосферу? Не слишком ли жарко, холодно или сухо, чтобы зародилась жизнь? Возможно, только на немногих планетах окружающая среда подходит для жизни. Таким образом, в гораздо более крупном масштабе может существовать бесчисленное множество других вселенных, которые мы не можем наблюдать, потому что их свет никогда до нас не доберется. Будут ли они подходить для того вида эволюции, который произошел по крайней мере на одной планете, обращающейся вокруг одной звезды в нашей родной Вселенной? В большинстве из них шесть чисел могут иметь другие значения, поэтому только небольшая часть вселенных будет «настроена» на существование жизни. Нас не должно сильно удивлять то, что в нашей Вселенной эти числа кажутся настроенными чудесным образом, как не удивляет нас тот факт, что мы обитаем на весьма специфической планете, чья сила притяжения позволяет удерживать атмосферу, с температурой, при которой может существовать вода, движущейся по орбите вокруг стабильной, долгоживущей звезды.

ГЛАВА 3
ОГРОМНОЕ ЧИСЛО N: СИЛА ТЯГОТЕНИЯ В КОСМОСЕ

Кто же поверит в муравья в теории?

Или в жирафа схему?

Десять тысяч докторов любой категории

Пол-леса сведут в теорему.

Джон Чиарди

«ЧАСОВОЙ МЕХАНИЗМ» НЬЮТОНА

Если бы мы решили организовать лекции для разумных существ с других планет, было бы естественно начать с гравитации или силы тяготения. Эта сила удерживает планеты на их орбитах и связывает звезды. В более крупном масштабе целые галактики – скопления миллиардов звезд – управляются силой тяготения. Ни одно вещество, ни один вид частиц, ни даже сам свет не избегают ее влияния. Гравитация управляет расширением всей Вселенной и, возможно, предопределит ее окончательную судьбу.

Сила тяготения по-прежнему остается таинственной. Она озадачивает больше, чем любая другая сила природы. Но это была первая сила, описанная математическим путем. В XVII в. сэр Исаак Ньютон рассказал нам, что притяжение между двумя любыми объектами подчиняется «закону обратных квадратов». Сила ослабевает пропорционально квадрату расстояния между двумя телами: разместите их в два раза дальше друг от друга, и притяжение между ними станет в четыре раза слабее. Ньютон понял, что сила, которая заставляет яблоки падать на землю и управляет траекторией выпущенного из пушки ядра, – это та же самая сила, которая удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли. Он доказал, что его закон объясняет эллиптическую форму планетарных орбит – убедительная демонстрация способности математики предсказывать, как работает «часовой механизм» мира природы.

Великий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), опубликованный в 1687 г., – это трехтомник, содержащий тексты на латинском языке, обрамленные детально разработанными теоремами, в основном геометрического характера. Это памятник выдающегося научного интеллекта тысячелетия. Несмотря на непривлекательный образ жизни, влияние Ньютона было огромным и коснулось даже поэтов и философов. Оно распространилось и на более широкую аудиторию: например, в 1737 г. появилась книга, озаглавленная «Ньютонианство для леди» (Newtonianism for Ladies). Сущность его теории тяготения была изложена и в более доступной книге «Система мира» (The System of the World).

В этой более поздней работе основная мысль подробно проиллюстрирована картинкой, где из пушки, стоящей на вершине горы, стреляют ядрами параллельно поверхности Земли. Чем быстрее они летят, тем дальше могут улететь до того, как упадут на землю. Если скорость будет очень высока, Земля уйдет из траектории ядра и оно выйдет на орбиту. Требуемая скорость (около 8 км/с), разумеется, была недостижима для пушек времен Ньютона, но сегодня у нас есть искусственные спутники, которые остаются на своих орбитах именно благодаря этой скорости. Сам Ньютон показал, что та же самая сила удерживает планеты на их эллиптических орбитах вокруг Солнца. В более крупном масштабе тяготение действует на скопления звезд и на галактики, где миллиарды звезд обращаются вокруг общего центра.

В недрах Солнца и других звезд поддерживается равновесие между силой тяготения, удерживающей раскаленное звездное вещество, и давлением этого вещества, которое, если бы не действовало притяжение, заставило бы звезды разлететься на части. В атмосфере нашей собственной Земли давление на уровне поверхности точно так же уравновешивает вес всего того воздуха, который находится над нашими головами.

ТЯГОТЕНИЕ В БОЛЬШОМ И МАЛОМ МАСШТАБАХ

Притяжение нашей Земли оказывает более сильный эффект на крупные объекты. Когда продюсеры фильмов-катастроф используют модель, чтобы изобразить, например, рушащийся мост или плотину, эти объекты должны быть сделаны не из настоящих стали и бетона, но из очень хрупких материалов, которые погнутся или разобьются от падения с высоты стола. И чтобы выглядеть реалистичными, эти кадры должны быть сняты в ускоренном режиме, а потом прокручены с замедлением. Даже когда все сделано очень тщательно, можно найти подсказки, которые указывают нам на то, что перед нами – миниатюрная модель, а не реальный объект. Например, маленькие волны в резервуаре с водой сглаживаются из-за поверхностного натяжения (той силы, которая удерживает форму дождевых капель), но этот эффект ничтожно мал, если смотреть на настоящую бурную реку или океанские волны. Поверхностное натяжение позволяет водомеркам бегать по воде, но мы из-за своего веса этого делать не можем.

Размер критически важен для биологического мира. Крупные животные – это не просто раздутые варианты маленьких, у них другие пропорции, к примеру более толстые ноги относительно роста. Представьте себе, что вы в два раза увеличили животное, но оставили его форму той же самой. Его объем и вес стали бы в 8 (2³) раз больше, а не увеличились бы всего вдвое, в то время как поперечное сечение ног возросло бы только в 4 (2²) раза и конечности были бы слишком слабыми, чтобы удержать такое тело. Ему бы потребовалась иная конструкция. Чем больше существо, тем тяжелее оно падает: «годзиллам» потребовались бы ноги толще, чем их тело, и они не пережили бы падения. С другой стороны, мыши могут забраться по вертикальной стене и безо всякого вреда пережить падение с высоты, намного превышающей их рост.

Галилей (который умер в тот год, когда родился Ньютон) был первым, кто четко понял эту зависимость от размера. Он писал:

С другой стороны, и природа не может произвести деревьев несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные собственным чрезвычайным весом, в конце концов сломились бы… уменьшая размеры тел, мы не уменьшаем в такой же пропорции их прочности; в телах меньших замечается даже относительное увеличение ее, так, я думаю, что небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак, в то время как лошадь едва ли может нести на спине одну только другую лошадь, равную ей по величине[8]8
  Галилео Г. Избранные произведения в двух томах. Т. 2. Составитель У. И. Франкфурт. – М.: Наука, 1964. С. 216–217.


[Закрыть].

Таким же образом ограничивается и размер птиц (ограничения являются более строгими для птиц типа колибри, которые могут зависать на месте, трепеща крыльями, а не для альбатросов, которые планируют), но для плавающих существ ограничения не являются такими строгими, поэтому-то в океанах и возможно существование левиафанов. Напротив, слишком маленький размер ведет к проблемам другого рода – большая площадь кожи относительно массы. В результате тепло быстро теряется и маленькие млекопитающие и птицы должны много есть и иметь быстрый метаболизм, чтобы сохранить тепло.

Подобные закономерности должны быть справедливы и для других миров. Например, физик Эдвин Солпитер вместе с Карлом Саганом размышляли о сложной экологии гипотетических шарообразных существ, которые могли бы выжить в плотной атмосфере Юпитера. У каждого нового поколения возникала бы одна и та же проблема гонки со временем: они должны вырасти достаточно большими, чтобы достичь нулевой плавучести, до того как притяжение расплющит их в темных глубинных слоях с высоким давлением.

ЗНАЧЕНИЕ ЧИСЛА N И ПОЧЕМУ ОНО ТАК ВЕЛИКО

Несмотря на всю свою важность для нас, нашей биосферы и космоса, тяготение на самом деле является удивительно слабым по сравнению с другими силами, которые действуют на атомы. Электрические заряды с противоположными знаками притягиваются друг к другу: атом водорода состоит из положительно заряженного протона с единственным (отрицательно заряженным) электроном, пойманным на орбите вокруг протона. Согласно законам Ньютона, два протона будут притягивать друг друга под действием силы притяжения (гравитации), а также подвергаться воздействию электрической силы отталкивания. Обе эти силы одинаково зависят от расстояния (обе подчиняются закону «обратных квадратов»), и поэтому их относительная сила зависит от очень важного числа N, на которое не влияет, насколько далеко находятся протоны друг от друга. Когда два атома водорода соединяются вместе в молекулу, электрическая сила отталкивания между двумя протонами нейтрализуется двумя электронами. Гравитационное притяжение между протонами в 10³⁶ раз слабее электрических сил и практически неизмеримо. Химики спокойно могут не обращать на него никакого внимания, когда изучают, как группы атомов соединяются для формирования молекул.

Тогда почему гравитация является доминирующей силой, прижимающей нас к земле и удерживающей Луну и планеты на их орбитах? Это происходит потому, что сила притяжения – это всегда притяжение: если вы удвоите массу, вы удвоите силу притяжения, которая при этом возникает, в то время как электрические заряды могут как отталкивать друг друга, так и притягивать, они могут быть и положительными, и отрицательными. Два заряда удваивают силу одного из них, только если у них одинаковый знак. Но любой предмет в нашей повседневной жизни состоит из огромного количества атомов, у каждого из которых имеется положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами, – положительные и отрицательные заряды практически полностью нейтрализуются. Даже когда мы «заряжаемся» так, что у нас приподнимаются кончики волос, из равновесия выходит меньше чем один заряд из миллиарда миллиардов. Но по отношению к «гравитационному заряду» все на свете имеет один и тот же знак, поэтому сравнительно с электрическими силами притяжение выигрывает по отношению к более крупным, чем атомы, объектам. Равновесие электрических сил только слегка нарушается, когда твердое тело сжимают или растягивают. Яблоко падает, только когда совместное притяжение всех атомов Земли может одержать победу над электрическим притяжением в черенке, которым оно крепится к ветке дерева. Гравитация играет для нас важную роль, потому что мы живем на тяжелой Земле.

Мы можем дать этому количественную оценку. В главе 1 мы вообразили ряд фотографий, каждая из которых делалась с расстояния, увеличенного в 10 раз по сравнению с предыдущим. Теперь представьте себе ряд сфер различного размера, содержащих соответственно 10, 100, 1000… атомов; другими словами, каждая последующая сфера в 10 раз тяжелее, чем каждая предыдущая. 18-я будет размером с песчинку, 29-я – с человека, а 40-я – с крупный астероид. При каждом увеличении массы в тысячу раз объем также увеличивается в тысячу раз (при условии, что сферы имеют одинаковую плотность), но радиус возрастает только в 10 раз. Значимость собственной силы притяжения сферы, измеряемой количеством энергии, которая потребуется на то, чтобы атом мог преодолеть действие этой силы, зависит от массы сферы, деленной на радиус{3}3
  Для того чтобы атом вышел из сферы действия тяготения, должна быть проделана работа. Ее можно считать силой «обратного квадрата» и вычисляется она как соотношение (масса) / (радиус)², умноженное на расстояние, через которое действует сила и которое пропорционально (радиусу). Также известна и энергия связи. Она пропорциональна соотношению (масса) / (радиус). Следовательно, эту формулу можно представить как (масса)^2/3, потому что при постоянной плотности радиус вычисляется как (масса)^1/3.


[Закрыть], и возрастает в сотню раз. В масштабе атомов сила притяжения начинается с 10^–36, но она усиливается в 10² (иначе говоря, 100) раз при увеличении массы на каждые три степени 10 (т. е. в 1000 раз). Таким образом, притяжение наверстает упущенное на 54-м объекте (54 = 36 × 3 / 2), когда масса станет примерно равной массе Юпитера. В любом твердом образовании, которое по массе больше Юпитера, притяжение так сильно, что преодолевает силы, удерживающие твердые тела вместе.

Песчинки и крупинки сахара, как и мы, испытывают на себе притяжение массивной Земли. Но их собственная гравитация – то притяжение, которое дают составляющие их атомы, в отличие от земного тяготения, пренебрежимо мало. Собственная сила тяжести не важна и для астероидов, и для двух спутников Марса, напоминающих по форме картофелины, – Фобоса и Деймоса. Но такие большие тела, как планеты (и даже наша собственная крупная Луна), недостаточно жестки, чтобы сохранять неправильную форму: сила тяжести сделала их практически шарообразными. А массы, превышающие массу Юпитера, будут сдавлены собственной силой тяжести до огромной плотности, если только их центр не будет оставаться достаточно горячим, чтобы поддерживать равновесие за счет давления, как это происходит с Солнцем и другими звездами. Именно из-за того, что притяжение является таким слабым, среднестатистическая звезда, такая как Солнце, может быть такой тяжелой. При меньших объемах притяжение не может конкурировать с давлением, как не может и сжать вещество, чтобы нагреть его до той степени, когда оно начинает светиться.

Масса Солнца примерно в тысячу раз больше массы Юпитера. Если бы оно было холодным, притяжение сжало бы его в миллионы раз плотнее, чем обычное твердое тело. Оно превратилось бы в белого карлика размером примерно с Землю, но в 330 000 раз тяжелее. Но на самом деле солнечное ядро имеет температуру 15 млн градусов – оно в тысячи раз горячее его светящейся поверхности, и давление этого чрезвычайно горячего газа «раздувает» Солнце и позволяет ему оставаться в устойчивом равновесии.

Английский астрофизик Артур Эддингтон одним из первых понял физическую природу звезд. Он размышлял о том, как много мы могли бы узнать о них, если бы представляли их чисто теоретически, обитая на постоянно покрытой облаками планете. Разумеется, мы не могли бы предполагать, сколько звезд существует, но простое рассуждение о тех границах, о которых я только что говорил, могло бы сказать нам, насколько звезды велики. Не слишком трудно продолжить это рассуждение и подсчитать, насколько ярко должны сиять такие объекты. В заключение Эддингтон говорит: «Отстраним теперь завесу из облаков, которая окутывала нашего физика, и позволим ему взглянуть на небо. Он найдет на нем тысячи миллионов газовых шаров, и масса каждого из них лежит между [вычисленными им] массами»[9]9
  Эддингтон А. Внутреннее строение звезд. Лекция, прочитанная в Английском Королевском институте 23 февраля 1923 г. Приложение к Nature от 12 мая 1923 г., с. 15, https://ufn.ru/ufn24/ufn24_1/Russian/r241b.pdf


[Закрыть].

Сила тяготения слабее сил, управляющих микромиром, в 10³⁶ раз – это и есть число N. А если бы тяготение не было таким относительно слабым? Представьте себе, например, вселенную, где гравитация слабее электрических сил «всего» в 10³⁰ раз, а не в 10³⁶. Атомы и молекулы в ней будут вести себя точно так же, как и в нашей реальной Вселенной, но предметам вовсе не будет необходимости быть такими большими, чтобы тяготение могло конкурировать с другими силами. В этой воображаемой вселенной количество атомов, нужное, чтобы создать звезду (связанный гравитацией термоядерный реактор), будет в миллиард раз меньше. Масса планет тоже уменьшится в миллиард раз. Независимо от того, смогут ли эти планеты оставаться на устойчивых орбитах, сила тяготения будет препятствовать развитию жизни на них. В этом воображаемом мире с сильной гравитацией даже насекомым потребуются толстые ноги, и никакое животное не сможет намного обогнать их в размерах. Притяжение разрушит любое существо ростом с человека.

В подобной вселенной галактики будут формироваться гораздо быстрее и получаться более миниатюрными. Звезды, вместо привычного нам расположения, будут так плотно набиты, что близкие соприкосновения станут достаточно частыми. Это само по себе исключает существование стабильных планетных систем, потому что орбиты будут изменяться из-за проходящих мимо звезд, что (к счастью для нашей Земли) едва ли может случиться в нашей Солнечной системе.

Но еще сильнее развитию сложных экосистем будет препятствовать ограниченное время развития. Из мини-звезд такой вселенной будет быстро уходить тепло: в таком воображаемом мире с сильным притяжением время жизни звезд будет в миллион раз короче. Вместо того чтобы существовать миллиарды лет, обычная звезда проживет всего около 10 000 лет. Мини-солнца сгорят быстрее и истощат всю энергию еще до того, как органическая эволюция успеет сделать первые шаги. Условия для сложной эволюции будут, несомненно, куда менее благоприятными, если тяготение будет сильнее, даже если больше ничего не изменится. Не будет такого громадного запаса времени, необходимого для физических и химических реакций, как в нашей Вселенной. Однако, если построить наши рассуждения по-другому, то даже немного более слабое притяжение могло бы обеспечить куда более сложные и долгоживущие структуры.

Тяготение – организующая сила космоса. В главе 7 мы увидим, насколько оно было важно для того, чтобы позволить различным структурам, среди которых первоначально не было резко выраженных неоднородностей, развернуться после Большого взрыва. Но это произошло только потому, что тяготение является слабым по сравнению с другими силами, что позволяет существовать большим и долгоживущим структурам. Парадоксально, но чем слабее притяжение (при условии, что оно не равно нулю), тем значительнее и сложнее может быть его влияние. У нас нет никакой теории, которая бы давала нам значение числа N. Все, что мы знаем, – это то, что такое сложное образование, как человечество, не могло развиться, если бы N было куда меньше 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.