Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

Фундаментальные константы, определяющие свойства Вселенной, занимают среди огромного многообразия различных физических величин, которые входят в структуру основных физических теорий, совершенно особое место. К их числу относятся скорость света в пустоте (с), заряд (е) и масса (mе) электрона, так называемая постоянная Планка (G), гравитационная постоянная (G) и некоторые другие. Эти константы отражают наиболее глубокие, основополагающие свойства окружающего нас мира, и поэтому их не случайно называют иногда «константами Вселенной». Они неизменно фигурируют в основных уравнениях современной теоретической физики. Постоянная Планка tl=1,05·10-27 эрг·с = 1,05·10-33.Дж·с связывает между собой в квантовой теории энергию E и циклическую частоту фотона со известным соотношением Е=ђω.

Скорость света с входит в уже знакомое нам соотношение специальной теории относительности Эйнштейна, известное под названием принципа эквивалентности.

Что же касается заряда и массы электрона, то эти величины характеризуют не только свойства этой конкретной элементарной частицы, но и многих других материальных образований.

Фундаментальные константы тесно связаны с уже знакомыми нам четырьмя типами физических взаимодействий: ядерным, или сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Так, постоянная тяготения G характеризует силу тяготения, а заряд электрона е является количественной характеристикой электромагнитных сил. Аналогичную роль для сильных и слабых взаимодействий играют соответственно константы gs и gF (постоянная Ферми).

С помощью фундаментальных констант можно охарактеризовать физические взаимодействия безразмерными константами: слабого взаимодействия aw, электромагнитного аe (так называемая «постоянная тонкой структуры»), сильного аs; и гравитационного ag. Их несложно получить, рассмотрев отношение энергии каждого из взаимодействий, скажем, с энергией фотона.

В результате мы определим следующие приближенные числовые значения констант взаимодействия:

где тр — масса протона.

Путем сравнения полученных чисел нетрудно установить, что электромагнитное взаимодействие приблизительно в 100 раз слабее сильного, слабое в 1000 раз слабее электромагнитного, a гравитационное взаимодействие еще в 1039 раз слабее.

В 1937 г. известный физик П. Дирак высказал предположение о том, что фундаментальные физические константы медленно изменяются с течением времени, и, следовательно, в отдаленном прошлом на ранних стадиях эволюции Вселенной их значения могли весьма существенно отличаться от современных.

В частности, согласно гипотезе Дирака гравитационная постоянная убывает пропорционально возрасту Вселенной. Подобное явление должно было бы вызывать определенные астрономические и геофизические следствия, например, некоторое расширение Земли и планет. Оценка возможных эффектов такого рода показала, что уменьшение G во всяком случае не превосходит 10-10 в год. Однако изменяется ли фактически постоянная тяготения или нет, пока сказать нельзя. Во всяком случае специальные измерения и наблюдения, проведенные в последние годы, этой гипотезы не подтвердили. С большой степенью точности установлено, что значения фундаментальных констант остаются неизменными. Видимо, и в самом начале расширения они были такими же, как в нашу эпоху.

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 ае, то окажется невозможным существование атомов химических элементов с атомным номером больше, чем 4. Увеличение безразмерной постоянной тяготения ае 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.

Правда, исследования, проведенные физиками-теоретиками в последние годы, показали, что если изменять некоторые из фундаментальных постоянных совместно, то существует определенная область их значений, при которых все же сохраняется возможность образования в соответствующей Вселенной сложных структур. Однако размеры этой области, судя по полученным данным, весьма ограниченны.