Занимательная астрофизика

То особое место, которое занимают фундаментальные константы в физике, предопределяет необходимость как можно более точного определения их значений. Задача любой физической теории в конечном счете сводится к возможно более точному количественному описанию соотношений и зависимостей реального мира, Но коль скоро в уравнения физических теорий входят фундаментальные константы, результаты теоретико-физических расчетов тем вернее отразят реальное положение вещей, чем точнее нам будут известны значения констант.

Назначение обычных физических теорий состоит в том, чтобы дать достаточно полное описание тех или иных физических систем, исходя из определенных начальных условий и основных физических констант. Вопрос, почему начальные данные именно таковы, в этих теориях не ставится.

Иное дело в космологии. Фундаментальные физические константы и связанные с ними константы взаимодействия определяют структуру нашей Вселенной. Возможно, значения этих констант содержались уже в начальных условиях, существовавших в той сверхплотной горячей плазме, в результате расширения которой сформировалась наша Вселенная. Поэтому вопрос о начальных условиях и основных физических константах непосредственно связан с вопросом о том, почему наша Вселенная именно такая как есть, а не какая-нибудь иная? Но почему эти константы именно такие, а не другие? Возможно, к ответу на этот фундаментальный вопрос мы приблизимся, отвечая на другой вопрос: какими были бы свойства нашей Вселенной при иных значениях фундаментальных констант?

На первый взгляд может показаться, что небольшие изменения некоторых параметров вызовут лишь несущественные количественные перемены во Вселенной. Так, скажем, изменение размеров атомов приведет к соответствующим изменениям масштабов всех предметов и объектов, а изменение гравитационной константы — к изменению размеров небесных тел и сроков их эволюции. Но ничего принципиального не произойдет: Вселенная в общих чертах останется такой же как и прежде.

Однако расчеты показывают, что это далеко не так. Даже сравнительно небольшие изменения фундаментальных констант неизбежно, повлекли бы за собой глубокие качественные изменения свойств Вселенной, исключающие возможность существования сложных структур.

Предположим, например, что заряд электрона увеличился в 10 раз по сравнению с существующим. В этом случае в соответствии с законом Кулона возросли бы силы электростатического отталкивания между атомными ядрами и тот «кулоновский барьер», который необходимо преодолеть для слияния ядер в термоядерных реакциях. В результате приблизительно на два порядка увеличилась бы масса вещества, необходимая для самоподдержания таких реакций.

Можно показать, что в этом случае в современной Вселенной не существовало бы звезд с массами, сравнимыми с массой Солнца. Все такие звезды уже сколлапсировали бы и превратились либо в белые карлики, либо в нейтронные звезды.

А если бы возросла в 10 раз масса протона, то верхняя граница массы нейтронных звезд уменьшилась бы в 100 раз и единственной конечной стадией жизни звезд стали бы черные дыры.

Весьма существенно повлияли бы на характер физических процессов, происходящих во Вселенной, и изменения таких величин как масса электрона или пиона (пи-мезона), которые согласно существующим представлениям никак не связаны с такими фундаментальными константами как гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света и масса протона. Так, например, если увеличить массу электрона более чем в 2,5 раза, не смогут существовать атомы водорода. С другой стороны, если уменьшить в 1,3 раза безразмерную постоянную электромагнитного взаимодействия а_е, то окажется невозможным существование атомов химических элементов с атомным номером больше, чем 4. Увеличение безразмерной постоянной тяготения а_е в 1000 раз исключит возможность существования протонов. И так далее, и тому подобное…

Сравнительно узкие границы возможных вариаций фундаментальных физических констант, в пределах которых еще возможно существование сложных систем, убедительно свидетельствуют в пользу уникальности того «набора» физических констант, который имеет место в нашей Вселенной.

Это обстоятельство в принципе может быть истолковано как отражение одной из двух возможностей, о которых косвенно уже было упомянуто выше. Одна из них состоит в том, что наша Вселенная прошла через множество циклов расширения и сжатия, в начале каждого из которых складывался определенный «набор» физических констант, изменявшийся от цикла к циклу таким образом, что в современном цикле сформировалось их сочетание, благоприятное для образования сложных структур и жизни. Вторая возможность заключается в том, что в материальном мире существует множество Вселенных, для каждой из которых характерен свой «набор» физических констант.