Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Значение постоянной Планка ħ выбирается так, чтобы задать единицы, которые будут использоваться для измерения энергии. Чтобы измерить энергию в джоулях, вы выбираете ħ = 6,626∙10-34. Чтобы измерить энергию в электрон-вольтах, вы выбираете ħ = 4,136∙10-15. Физики любят работать в так называемых естественных единицах измерения, где ħ = h/2π = с = 1. Среди других произвольных величин, которые часто называют точно настроенными, — постоянная Больцмана kB, которая просто преобразует значение из единиц абсолютной температуры, Кельвинов, в энергию, и гравитационная постоянная Ньютона G, которая тоже зависит от выбора единиц измерения. В планковской системе единиц G = 1.

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 ρc. 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.