Теория элементарных частиц и принцип целесообразности - Астрономия и современная картина мира

1. Наша Вселенная - лучший из миров

Панглос: Все события неразрывно связаны в лучшем из возможных миров.

Кандид: Если это лучший из возможных миров, то каковы же другие? Вольтер. Философские повести. Кандид или оптимизм

В последнее время наука подошла к решению двух проблем: 1) Существуют ли другие вселенные, помимо нашей; 2) какова структура других вселенных?

Чтобы пояснить метод рассуждений, позволяющий приблизиться к решению, казалось бы неразрешимой проблемы: как познать структуру других ненаблюдаемых вселенных, - полезно напомнить основные сведения о нашей Вселенной.

Вселенную можно представить, как однородную расширяющуюся сферу, заполненную веществом и излучением. В настоящее время радиус этой сферы приблизительно равен 1028 см. И здесь возникает важнейший вопрос: что находится за пределом сферы с R(1028 см? В принципе, подобный вопрос не нов. Уже на заре возникновения цивилизации, когда исследованный мир ограничивался небольшими частями земной поверхности, возник вопрос, что находится за их пределами. Лишь в сравнительно близкую эпоху (Коперник) возникло правильное представление о структуре планетной cистемы. Затем установили, что звезды - далекие прототипы нашего Солнца. И лишь в XIX веке поняли, что они входят в состав гигантских скоплений звезд-галактик, которые и составляют основные элементы Вселенной. И только совсем недавно (около 20 лет назад) начались наблюдения самых далеких объектов Вселенной - квазаров, расположенных на "окраине" Вселенной: на расстоянии 1028 см.

Каждый этап развития астрономии существенно раздвигал представления об окружающем нас мире. Сейчас он ограничен Вселенной. Является ли это ограничение окончательным или же оно продиктовано уровнем наших знаний? Именно краткий экскурс в историю астрономии, медленно поднимающий занавес над дымкой, застилающей мир, позволяет высказать заключение, что Вселенная не является ни единственной, ни эквивалентом всего мира. Но здесь сразу же возникает вопрос: как от подобного философствования перейти на более твердую почву фактов?

Метод анализа. Мы не можем покинуть нашу Вселенную или связаться с другими вселенными. Можно нарисовать сценарий эволюции вселенных при небольших изменениях в известной нам физической картине. Изменение физических законов - непредсказуемое кардинальное изменение всей картины Вселенной. Однако одним из элементов физики являются фундаментальные постоянные - числа. Поэтому целесообразно проследить последствия небольших изменений этих чисел и нарисовать эволюцию вселенных при таких изменениях. Физические законы полагаются при этом неизменными.

В дальнейшем нас здесь будут интересовать четыре константы, поскольку именно они весьма наглядно иллюстрируют зависимость всей физической картины от численного значения фундаментальных постоянных. Перечислим их по порядку: 1) масса mp протона p, равная 938,2 Мэв* ; 2) масса mn нейтрона n - 939,5 МэВ; 3) me электрона e - 0,51 МэВ; 4) безразмерная константа тонкой структуры (e - 1/137, характеризующая взаимодействие заряженных частиц.

Нейтронная вселенная. Общеизвестно, что водород - основной химический элемент во Вселенной. Менее известно, что нейтральный водород предопределяет существование почти всех космических тел: планет, звезд и галактик. Суть дела заключается в том, что образование гигантских стабильных систем - галактик (а, следовательно, и звезд) обуславливается игрой противоположных тенденций: гравитационным притяжением и отталкиванием, связанным с излучением фотонов, возникающих при сжатии газовых облаков. Последний фактор особенно велик, когда газ ионизован, т. е. состоит из несвязанных протонов и электронов. Этот фактор существенно уменьшается, когда происходит рекомбинация нейтрального водорода (начало рекомбинации соответствует температуре Т ( (104) К). В этой ситуации из-за взаимной экранировки электронов и протонов излучение существенно уменьшается, и становится возможным образование протогалактик. В дальнейшем, эти образования обосабливаются и распадаются на более мелкие фрагменты - скопления звезд.

В этом процессе определяющую роль играет стабильность атомов водорода. Известно, что водород абсолютно стабилен. Эта стабильность гарантируется самым суровым законом - законом сохранения массы; стабильность гарантируется, однако, с плохим запасом "прочности". Поясним это утверждение. При достаточно высоких температурах (Т > (1010) К) возможна реакция: p + e +n+(.(( - нейтрино). Однако, как легко заключить из подсчета масс в правой и левой частях указанной реакции mp + ne < mn и, поэтому, при сравнительно малых температурах, когда происходит образование галактик, эта реакция невозможна.

Изменим далее немного физическую ситуацию во Вселенной. Именно: увеличим массу электрона me более, чем в три раза. Тогда, mp + me > mn и будет осуществляться реакция p + e+ n+(, т. е. атом водорода превратится в нейтрон и нейтрино. Легко представить себе "трагические" последствия такого превращения. В конечном счете, весь водород превратится в нейтроны, вселенная будет состоять исключительно из нейтронных звезд и галактик. Вместо нашей богатой химическими элементами и яркими звездами Вселенной возникнут мрачные вселенные с единым "нейтронным" цветом.

И здесь возникает важнейший вопрос. Далеко или близко мы "спустились по склону", увеличив массу электрона в 3 раза? Чтобы ответить на этот вопрос проделаем следующую процедуру. Расположим массы элементарных частиц* в порядке их возрастания: m1 = m( (масса электрона); m2 = m( (масса мюона); m3 = m( (масса - мезона). Обозначим по оси абсцисс (см. рис. 1) отношения mn+1/mn. По оси ординат отложим десятичные логарифрмы этих отношений. Видно насколько отношение m(/me отличается от всех остальных отношений. На рис. 1 черной краской зачернена область, отделяющая нашу Вселенную от "грехопадения" в мрачную нейтронную бездну.

Никакого объяснения малости массы me, сравнительно с массами других элементарных частиц, сейчас нет. Единственная гипотеза, которая может пояснить этот факт, заключается в допущении, что в процессе формирования фундаментальных постоянных - процессе, происходящем на самой ранней стадии расширения Вселенной, возник гигантский выброс массы легкой частицы; выброс, который обеспечил все химические многоцветия нашей Вселенной.

Водородная вселенная. Изменим незначительно другие константы. Известно, что тяжелый водород-дейтерий* является химической экзотикой, не имеющей значения в повседневной жизни и играющей относительно малую роль в химии и физике. Однако ядро дейтерия - дейтон находится на авансцене природной лаборатории. Современная теория образования химических элементов основана на допущении, что их ядра образуются путем последовательного превращения атомного ядра с весом А в ядро - А + 1. Поэтому дейтон является основным звеном нуклеосинтеза, т. е. процесса образования ядер сложных химических элементов. Для успешного осуществления нуклеосинтеза необходимо, чтобы дейтон был бы стабильной частицей. Однако дейтон состоит из двух частиц - протона и нейтрона, который в свободном состоянии распадается. Казалось бы, что и дейтон также должен был бы распадаться. Однако дейтон стабилен, поскольку разница масс примерно вдвое меньше энергии связи нейтрона и протона в дейтоне; поэтому распад связанного нейтрона запрещен законом сохранения. Однако во вселенной, в которой разница масс всего лишь вдвое превышала бы наблюдаемую, - дейтон будет нестабильным и сложные элементы не смогут возникнуть. Такая вселенная будет "одноцветной", состоящей только из водорода.

Похожие статьи




Теория элементарных частиц и принцип целесообразности - Астрономия и современная картина мира

Предыдущая | Следующая