Параметры, необходимые для любой формы жизни

Перейдем к менее тривиальному. Давайте рассмотрим пять параметров, которые теисты считают настолько точно настроенными, что никакая форма жизни не могла бы существовать ни в одной вселенной, где значение любого из них отличалось бы на малейшую долю от значения в нашей Вселенной^{386}.

Это:

♦ соотношение между количествами электронов и протонов во Вселенной;

♦ соотношение между электромагнитным взаимодействием и гравитацией;

♦ скорость расширения и массовая плотность Вселенной;

♦ космологическая постоянная.

Соотношение между количествами электронов и протонов во Вселенной. Росс утверждает, что если бы электронов было больше, то химические связи были бы слишком слабыми. А если бы меньше, то электромагнетизм пересилил бы гравитацию, что исключило бы образование галактик, звезд и планет.

Тот факт, что это соотношение равно единице, легко объясним. Количество электронов во Вселенной должно быть равно количеству протонов из-за сохранения заряда исходя из разумного ожидания, что общий электрический заряд Вселенной равен нулю. Хотя в стандартной модели есть и другие заряженные частицы, только протон и электрон стабильны.

Соотношение между электромагнитным взаимодействием и гравитацией. Росс говорит, что если бы электромагнитное взаимодействие было сильнее по отношению к гравитации, то не было бы звезд массой меньше 1,4 массы Солнца, из чего следует короткое и неравномерное горение звезды. Если бы оно было слабее, то не было бы звезд массой больше 0,8 массы Солнца, из чего следует отсутствие синтеза тяжелых элементов.

Соотношение сил взаимодействий между двумя частицами зависит от их зарядов и масс. Как я уже отмечал, вопреки утверждению, которое можно часто услышать в большинстве кабинетов физики (если не во всех), — что гравитация гораздо слабее электромагнетизма, — нет никакого способа определить абсолютное соотношение между силой гравитации и силой любого другого взаимодействия. В самом деле, если бы вам нужно было оценить силу гравитации, используя только естественную массу — планковскую массу, вы бы обнаружили, что гравитация в 137 раз сильнее электромагнетизма.

Причина того, что гравитация в атомах настолько слаба, заключается в малых массах элементарных частиц. Это можно понять как следствие стандартной модели элементарных частиц, в которой частицы сами по себе имеют нулевые массы, а небольшие поправки вносятся благодаря взаимодействиям с другими частицами.

Коллинз неправильно понимает этот момент, говоря: «Попытка Стенджера оправдать эту явную точную настройку [малую массу протона и нейтрона] — это все равно что объяснять малые значения масс протонов и ней^{387}.

Это совершенно неверное представление моей позиции. Я нигде не использовал этот аргумент. Коллинз не приводит никакой прямой цитаты или ссылки. На самом деле я сделал весьма разумное предположение, основанное на стандартной модели, что все элементарные частицы (протон и нейтрон не элементарны) были безмассовыми, когда они только возникли в начале существования Вселенной. Все они сейчас имеют малые массы по сравнению с планковскои массой, поскольку эти массы являются всего лишь небольшими поправками, привнесенными хиггсовским механизмом. И прежде, чем Коллинз возразит, что хиггсовский механизм — это очередное произвольное допущение, напомню, что он является частью стандартной модели, которая самопроизвольно возникла из симметрии пустоты и случайных нарушений симметрии.

Скорость расширения и массовая плотность Вселенной. Росс заявляет, что если бы скорость расширения Вселенной, заданная постоянной Хаббла Н, была больше, то не смогли бы сформироваться галактики; а если бы меньше, то Вселенная схлопнулась бы еще до образования звезд. Также он утверждает, что если бы средняя массовая плотность Вселенной была больше, то при Большом взрыве образовалось бы слишком много дейтерия и звезды сгорали бы слишком быстро. Если бы она была меньше, то при Большом взрыве образовалось бы недостаточно гелия и сформировалось бы слишком мало тяжелых элементов.

В главе 12 мы узнали, что из-за инфляции массовая плотность Вселенной оказывается очень близкой к критическому значению ρ_c. Из этого, в свою очередь, вытекает, что Н тоже имеет критическое значение. Только один из этих двух параметров настраивается. Допустим, это Н.

Далее при приближенно-линейном расширении, согласно закону Хаббла (см. главу 8), возраст Вселенной определяется как Т = 1/Н. Сейчас он составляет 13,8 млрд. лет, и едва ли он точно настроен для жизни. Жизнь могла бы с тем же успехом появиться при T = 12,8 млрд. лет или Т = 14,8 млрд. лет. Вообще возьмем Т = 1,38 млрд. лет. Тогда у нас могло бы не быть жизни сейчас, но она бы появилась через 10 млрд. лет или около того. Или возьмем Т = 138 млрд. лет. Тогда бы жизнь уже возникла около 124 млрд. лет назад.

Космологическая постоянная. Космологическая постоянная равна энергетической плотности вакуума, и она лучше всего подходит на роль темной энергии, которая ответственна за ускорение расширения Вселенной и составляет более 68% общей массы-энергии Вселенной,

В главе 13 мы увидели, что расчеты энергетической плотности вакуума, в которых она приравнивается к энергии нулевых колебаний, дают результаты, которые на 50–120 порядков превышают максимальное значение, допускаемое наблюдениями.

Физики еще не пришли к консенсусу относительно решения проблемы космологической постоянной. Некоторые выдающиеся ученые, в частности Стивен Вайнберг^{388} и Леонард Сасскинд^{389}, считают, что ответ связан с множественными вселенными. Оба ссылаются на тот факт, что теория струн, как и ее усовершенствованная версия — М-теория, предлагает «ландшафт» из примерно 10⁵⁰⁰ различных возможных вселенных. Но мы не нуждаемся в подобных допущениях.

Как я подчеркнул в главе 13, в исходных расчетах энергетической плотности содержалась фундаментальная ошибка — суммирование всех состояний в данном объеме. Поскольку энтропия системы определяется количеством доступных состояний системы, то энтропия, вычисленная при помощи суммирования по объему, будет больше энтропии черной дыры того же размера, которая зависит от ее площади, а не от объема. Но поскольку мы не можем заглянуть в черную дыру, то информация о том, что находится внутри нее, настолько мала, насколько возможно, а значит, энтропия максимальна.

Следовательно, было ошибочно рассчитывать количество состояний суммированием по объему. Если заменить эту операцию на суммирование по площади, или, что то же самое, принять количество состояний равным энтропии черной дыры того же объема, мы сможем естественным образом ограничить энергетическую плотность вакуума. В результате этого расчета мы получим, что энергетическая плотность вакуума в пустой Вселенной будет примерно равна критической плотности, то есть как раз тому значению, которое она, судя по всему, имеет.

По техническим причинам космологи не готовы принять это решение проблемы космологической постоянной. Так или иначе, я считаю, что будет честно признать исходный расчет попросту ошибочным — самым ошибочным расчетом в истории физики — и игнорировать его. В любом случае, не стоит отказываться от всех земных благ и уходить в монастырь только из-за того, что космологическая постоянная столь мала.

 

Другие параметры

Мы разобрались с пятью параметрами, которые, предположительно, настолько точно настроены, что даже малейшее отклонение сделало бы жизнь любого рода невозможной. Отмечу, что только четыре из них независимы, вопреки утверждениям теистов. Теперь перейдем к тем параметрам, о которых сторонники тонкой настройки могут сказать только то, что жизнь была бы очень маловероятна, если бы значения этих параметров были хотя бы немного иными.

Прогноз Хойла. В главе 9 мы рассмотрели блестящее достижение астронома Фреда Хойла и его коллег — они смогли показать, каким образом большинство элементов периодической таблицы формируются в звездах во время гравитационного коллапса после выгорания всего водородного топлива. В 1951 году Хойл предсказал, что ядро атома углерода должно иметь возбужденное состояние на уровне примерно 7,7 МэВ относительно основного состояния, чтобы в звездах могло образоваться достаточно углерода для существования жизни. Эта история представляет серьезный исторический интерес, поскольку это единственный пример того, как антропная аргументация привела к эмпирически подтвержденному прогнозу. Вскоре после этого возбужденное состояние было обнаружено при 7,656 МэВ.

Однако более поздние вычисления показали, что то же количество углерода образовалось бы, если бы возбужденное состояние находилось где угодно в промежутке от 7,596 до 7,716 МэВ. Более того, углерода было бы достаточно для жизни при любом возбужденном состоянии от уровня чуть выше основного состояния и до 7,933 МэВ.^{390} Возбужденного состояния где-либо в таком широком диапазоне можно ожидать, исходя из стандартной теории ядра. Не говоря уже о том, что углерод — не единственный элемент, на котором может быть основана жизнь.

Относительные массы элементарных частиц. Массы элементарных частиц влияют на многие свойства Вселенной, и большое количество претензий к точной настройке относится к их значениям. Позвольте мне начать с разности между массами нейтрона и протона. Если бы разность масс нейтрона и протона была меньше суммы масс электрона и нейтрино (масса нейтрино в нашей Вселенной пренебрежимо мала для данного расчета, но в какой-то другой вселенной может быть иначе), то не было бы нейтронного распада. В начале существования Вселенной электроны и протоны соединились бы, образуя нейтроны, и протонов осталось бы мало, если не нисколько. Если бы разность масс была больше, чем энергия связи ядер, то нейтроны в ядрах распадались бы и от ядер ничего не осталось.

Для разности масс остается диапазон около 10 МэВ, при котором могла бы сформироваться вся периодическая таблица. Реальная разность масс составляет 1,29 МэВ, так что фактически это значение могло быть гораздо выше. Поскольку массы протона и нейтрона в первом приближении равны и разница появляется благодаря небольшой электромагнитной поправке, то она вряд ли достигла бы 10 МэВ.

Теперь давайте рассмотрим массу электрона, которая тоже влияет на нейтронный распад. Меньшая масса электрона оставляет большее пространство для допущений при расчете параметров для нейтронного распада, тогда как большая масса — меньше.

Соотношение масс электрона и протона помогает определить диапазон параметров, в котором химия не отличается от нашей. Можно показать, что эта область довольно значительна и тоже не свидетельствует в пользу точной настройки.

Относительные силы взаимодействий и другие физические параметры. Безразмерные относительные силы взаимодействий — еще один набор физических параметров, объявляемых точно настроенными по причинам, которые мне кажутся недостаточно вескими. Параметр силы гравитации а является произвольным, так что настраивать в нем нечего. Как мы уже знаем, так называемая слабость гравитации по сравнению с электромагнитным взаимодействием между элементарными частицами обусловлена их малыми массами, а не относительными силами самих взаимодействий.

Теперь давайте рассмотрим безразмерную силу слабого взаимодействия α_W. Росс заявляет, что она точно настроена, чтобы получились нужное количество гелия и нужный объем производства тяжелых элементов в Большом взрыве и в звездах. Здесь ключевой момент — это соотношение количеств нейтронов и протонов в начале существования Вселенной, когда по мере ее остывания производящие их реакции вышли из равновесия. Допустимый диапазон параметров довольно широк.

Сила электромагнитного взаимодействия представлена в виде безразмерного параметра α, который по историческим причинам называется «постоянная тонкой структуры» и имеет значение 1/137 при низких энергиях. Росс говорит, что химические связи были бы недостаточно сильными, если бы она была другой. Но, как я доказал в книге «Заблуждение о точной настройке», многоэлектронное уравнение Шрёдингера, которое управляет большей частью химии, может изменяться относительно а и массы электрона. Повторю еще раз: очень широкий диапазон подходит для знакомой нам химии, в частности химии жизни.

Есть много примеров, где задействуется значение а в сравнении с другими параметрами. Я объяснил слабость гравитации по сравнению с электромагнетизмом в веществе низкими реальными массами элементарных частиц. Этот же эффект может быть достигнут при большем значении α, но маловероятно, чтобы оно оказалось на несколько порядков больше.

Отношение значений а и параметра сильного взаимодействия α_s тоже важно в некоторых случаях. Если варьируются оба параметра, то не требуется никакой точной настройки, чтобы были возможны и стабильные ядра, и свободные протоны.

Еще два факта, которые игнорирует большинство сторонников точной настройки:

♦ параметры взаимодействий α, α_s и α_W не являются постоянными, а изменяются в зависимости от энергии;

♦ эти параметры не независимы.

Ожидается, что параметры взаимодействий будут равны при какой-то энергии объединения. Более того, все три связаны в нынешней стандартной модели и, скорее всего, останутся взаимосвязанными в любой удачной модели. Едва ли они когда-нибудь будут различаться на много порядков.

Другие параметры, такие как скорость распада протонов и избыток барионов в начале существования Вселенной, могут изменяться в довольно широких пределах, прежде чем они приведут к возникновению угрожающей жизни радиации.

Космические параметры. Мы уже избавились от космических параметров, которые полагались столь критичными для существования сколько-нибудь пригодной для жизни вселенной: массовой плотности Вселенной, скорости расширения и соотношения количества протонов и электронов. Они не просто неточно настроены — они зафиксированы общепринятой физикой и космологией, а если говорить о постоянной Хаббла, то практически любое ее значение подошло бы для существования жизни.

Аналогично распространенность дейтерия имеет мало отношения к наличию жизни. Количество, необходимое для жизни, невелико, и допустимый диапазон составляет два порядка.

Королевский астроном Великобритании Мартин Рис и другие утверждают, что неоднородность материи во Вселенной, представленная величиной Q, должна была быть точно настроена в пределах порядка, чтобы стало возможно формирование галактик. Порядок — это едва ли тот случай точной настройки, который имеют в виду теисты, они чаще упоминают одну часть на 50–100 порядков. Ктомуже, если менять массу нуклонов вместе с Q, можно опять же расширить диапазон параметров для жизни.

В главе 14 мы обсудили модель LCDM, которая точно соответствует данным об анизотропиях реликтового излучения и согласуется с наблюдениями структуры галактик. В этой модели только шесть настраиваемых параметров, ни один из которых не входит в список, вокруг которого Росс и другие приверженцы божественной точной настройки устроили столько шума. Плотность материи не является параметром, а предполагается равной критическому значению. Скорость расширения (постоянная Хаббла) не является настраиваемым параметром, а вычисляется из модели. Единственный параметр — это отношение плотности темной энергии к критической плотности. Параметр Риса Q не входит в число этих шести, но он неявно присутствует в расчете структуры галактик.

Короче говоря, сторонникам божественной точной настройки стоит вернуться к чертежной доске, просчитать модель LCDM при разных наборах параметров и показать, что жизнь в любой форме была бы невозможна, если бы эти шесть параметров не были именно такими, каковы они в нашей Вселенной.

Моделирование вселенных. Совокупные свойства Вселенной в том виде, какой мы знаем ее сейчас, определяются лишь тремя физическими параметрами: силой электромагнитного взаимодействия α и массами протона и электрона m_p и m_е. Исходя из них, мы можем оценивать такие величины, как максимальное время жизни звезд, минимальные и максимальные массы планет, минимальная длина планетарного дня и максимальная продолжительность года для обитаемой планеты. Сгенерировав 10 тыс. вселенных, в которых параметры варьировались случайно по логарифмической шкале в диапазоне 10 порядков, я обнаружил, что в 61% вселенных время жизни звезд превышало 10 млрд. лет, что допускает развитие какой-нибудь разновидности жизни.

Коллинз ранее возражал против сделанного мной предварительного вывода двадцатилетней давности о том, что длительное время жизни звезд не является точно настроенным^{391}. Он полагает, что не все из этих вселенных подходят для жизни и что я не учел свойства, препятствующие жизни. Он ссылается на Джона Барроу и Франка Типлера, которые в своем классическом (хотя и содержащем множество опечаток и математических ошибок) труде «Антропный космологический принцип» (The Anthropic Cosmological Principle) привели оценку, что должно выполняться соотношение α ≤ 11,8α_s, чтобы углерод был стабильным^{392}.

Поскольку в своем исследовании я варьировал все параметры в пределах 10 порядков, я не ожидал, что такой строгий критерий будет выполняться часто. Тем не менее я проверил это и обнаружил, что условие Барроу — Типлера удовлетворялось в 59% случаев. Я также изучил, что происходит, когда параметры варьируются в пределах всего двух порядков. Тогда в 91% случаев α ≤ 11,8α_s. И снова я должен подчеркнуть, что сторонники точной настройки заявляют о куда большей чувствительности, чем изменение в пределах порядка.

Если наложить на все три параметра достаточно жесткие ограничения, чтобы получить жизнь, то 13% вселенных способны поддерживать жизнь какого-либо рода, не слишком отличную от нашей, при изменении параметров в пределах 10 порядков. Если же они варьируются в пределах двух порядков, что более реалистично, поскольку параметры не независимы, а взаимосвязаны, то в 92% вселенных время жизни звезд превышает 10 млрд. лет, а 37% способны поддерживать жизнь какого-либо рода, не слишком отличную от нашей. Жизнь, сильно отличающаяся от нашей, остается возможной в значительной части остальных вселенных, в первую очередь судя по большому времени жизни звезд.

Я не говорю, что объяснил значения всех параметров физики и космологии. В этом нет необходимости, если я хочу опровергнуть заявления оппонентов, что многие параметры настроены с невероятной точностью, такой как 1 часть на 120 порядков. Неточность в 1%, 10% или даже на порядок, как в случае параметра неоднородности Q, не считается точной настройкой.