Иосиф Шкловский - Вселенная, жизнь, разум
Но что произойдет с другой компонентой Вселенной — бывшими массивными звездами и ядрами галактик, ставшими черными дырами? Для дальнейшего анализа очень существен вывод, полученный несколько лет тому назад выдающимся английским теоретиком Хокингом. Он показал, что черные дыры отнюдь не являются «вечными образованиями» (как это считалось раньше). Через промежутки времени, пропорциональные кубам их масс, они «испаряются», излучая электромагнитные волны с длиной порядка размеров черной дыры. Например, черная дыра с массой, равной 10 солнечным массам (что близко к массе подозреваемой черной дыры Лебедь X-1) «испарится» через 1067 лет, излучая радиоволны длиной около 30 км. А сверхмассивная черная дыра (M ≈ 109 MΘ — бывшее ядро какой-нибудь галактики) испарится через 1091 лет, излучая сверхдлинные волны длиной порядка десяти астрономических единиц. Итак, все черные дыры — «звездные» и «ядерно-галактические» в конце концов превратятся в сверхдлинноволновое электромагнитное излучение. Останутся от Вселенной только плотные, жидкие, холодные железные капли. Но это еще не все! Оказывается, что когда истечет больше, чем 1010000000000000000000000000 (!!!) лет, эти железные капли превратятся либо в нейтронные звезды (которые потом превратятся в черные дыры), либо прямо в черные дыры. Последние же, практически мгновенно (всего за «какие-нибудь» 1067 лет), испарятся.
Итак, в открытой модели, при всех вариантах (даже если протон нестабилен!) в конечном итоге Вселенная превратится в совокупность разлетающихся сверхдлинноволновых квантов, а также нейтрино малых энергий. Остается только утешаться тем, что это будет, мягко выражаясь, ох, как не скоро! Имеется огромное количество проблем, неизмеримо более актуальных, от решения которых зависит будущее человечества и его отдельных представителей. Все же согласитесь, любопытно знать, что будет со Вселенной в необозримо далеком будущем. Такова уж природа человека…
В заключение этой главы остановимся на очень интересном и, по-видимому, важном вопросе о соотношениях между «мировыми константами» макро- и микромиров. Мы увидим, что для интересующей нас проблемы жизни во Вселенной эти соотношения играют решающую роль.
Из современной физики известно, что все закономерности мира управляются четырьмя типами взаимодействий: 1) электромагнитными, 2) гравитационными, 3) слабыми и 4) сильными. Первый тип взаимодействия определяет структуру атомов, а следовательно, описывает всю картину явлений в химии и физике (за исключением ядерных процессов). Он характеризуется «константой взаимодействия» — зарядом электрона e, связанной с известной безразмерной постоянной тонкой структуры
α = e 2 / ћc ≈ 1/137(ћ = ћ / 2 π — постоянная Планка, c — скорость света).
Гравитационное взаимодействие достаточно массивных тел имеет решающее значение для планетной, галактической и метагалактической астрономии. Оно может характеризоваться своей константой взаимодействия — гравитационной постоянной G и связанной с ней безразмерной
αG = Gm2p / ћc ≈ 5 10–39.Сильные взаимодействия доминируют в области атомных ядер и элементарных частиц, в то время как слабые описывают такие процессы, как β-радиоактивность. Для сильных и слабых взаимодействий также можно ввести свои константы взаимодействия, по смыслу аналогичные α. Они обозначаются как αG и αW и имеют определенные значения.
Несомненно, приведенная выше классификация взаимодействий отражает современный уровень физической науки. Вполне возможно, что в будущем (может быть, и недалеком) взаимодействия будут либо полностью объединены, либо их останется меньше. (Это означает, что между константами взаимодействия может быть какая-то связь.) Но это обстоятельство не должно уменьшить наше удивление тому факту, что между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то странная зависимость. Например,
Rb ≈ c t0 ≈ (α / αG) • α0 , гдеRb и t0 — радиус и возраст Вселенной,
α = ћ / m0 c2 = 0,53 10-8 см — радиус первой орбиты боровской модели водородного атома.
Другими словами, отношение радиуса Вселенной (Rb,≈ 1028 см, так как возраст Вселенной t0 ≈ 1010 лет = 3 1017 секунд) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами!
Для объяснения этого удивительного обстоятельства знаменитый английский физик Дирак еще в 1937 г. предложил гипотезу, что гравитационная постоянная G меняется обратно пропорционально возрасту Вселенной t, в то время как остальные константы (c, ћ, e) остаются неизменными. Однако современные наблюдения метагалактических объектов исключают такую возможность.
Совершенно другую гипотезу развил в 1961 г. выдающийся американский физик и астроном Дике. Эту гипотезу по праву можно назвать «антропной». Суть ее состоит в следующем. Для того чтобы где-нибудь во Вселенной возникла жизнь, необходимо, чтобы были тяжелые элементы, которые образуются при вспышках сверхновых. Об этом мы уже говорили раньше (см. гл. 5). Но отсюда следует, что возраст познаваемой разумными наблюдателями Вселенной должен быть не меньше возраста звезд, вспыхивающих как сверхновые. Если масса последних ~ 1,5 солнечной (что соответствует сверхновой 1 типа — см. гл. 5), то этот возраст t порядка нескольких миллиардов лет. Из теории внутреннего строения и эволюции звезд можно получить соотношение:
t1 ≈ αG—1 tp, гдеtp ≈ rp / c ≈ 10–23 сек,
rp = ћ / mp c ≈ 10–13 см — радиус протона.
С другой стороны, возраст Вселенной (о не может быть много больше t1, так как в этом случае почти все звезды превратились бы в белые карлики и нейтронные звезды, о чем речь уже шла выше. Поскольку мы такой Вселенной не наблюдаем, то
t0 ~ t1 ≈ αG—1 tp, ct0 ≈ αG—1 rp = (α / aG) α0.Таким образом, соотношение между размерами Вселенной и атома есть простое следствие из условия наблюдаемости Вселенной разумными существами!
Между константами гравитационного и слабого взаимодействий имеется соотношение:
αG ≈ αW 4, где αW ≈ gm2e / ћ3.Возможно, что, это соотношение также выражает «антропный» принцип. Как оказывается, это соотношение объясняет, почему во время первичного синтеза ядер, когда возраст Вселенной исчислялся немногими минутами, 25 % всех образовавшихся ядер (по массе) были гелиевыми. Если бы αW было чуточку меньше, все образовавшиеся ядра были бы гелиевыми. В такой «гелиевой» Вселенной жизнь, конечно, невозможна (например, не было бы воды). С другой стороны, если бы αW было бы чуточку больше, гелия во Вселенной не было бы совсем и эволюция звезд шла бы совсем по-другому. Небезынтересно также отметить, что если бы αW даже незначительно отличалось от своего наблюдаемого значения, не было бы вспышек сверхновых, так как условия взаимодействия нейтрино с веществом были бы совершенно другими.
Остановимся теперь на другом обстоятельстве. Выше мы уже отмечали, что во Вселенной на каждые S ≈ 108 фотонов приходится один протон. Ни физика, ни космология не дают объяснения этому надежно установленному факту. И вот выясняется, что «антропный» принцип ограничивает значение S. Оказывается, это предельное значение S ≈ αG-1/4 ≈ 109. В противном случае ни галактики, ни звезды не могли бы образоваться путем конденсации газа под действием силы тяготения.
Для возникновения где-нибудь во Вселенной жизни, как оказывается, решающее значение имеют соотношения между массами элементарных частиц. Отношения масс элементарных частиц удивительным образом связаны с константами сильного и электромагнитного взаимодействий. Например,
f 2 = 2mp / mn, α = (mn — mp) / mn , гдеf 2 = 15, mp и mn— массы нейтронов и π-мезонов.
Если бы эти соотношения не выполнялись, в процессе нуклеосинтеза элементы, необходимые для жизни, не образовывались бы. Следовательно, эти соотношения могут также иметь «антропный» смысл. Заметим в этой связи, что условие me << mp необходимо для образования сложных многоатомных молекул, являющихся основой жизни.
