История рыбы
Давным-давно на планете, полностью покрытой водой, обитала раса очень умных рыб. Эти рыбы могли жить только на определённой глубине, и никто из них никогда не видел поверхности моря или его дна. Но они были очень умными, а кроме того, очень любопытными. Время от времени рыбы задавались очень сложными вопросами о природе воды и о других не менее интересных вещах. Самые талантливые среди них именовались фишиками. Фишики были настолько умными, что за нескольких поколений пришли к пониманию многих явлений природы из области гидродинамики, химии, атомной физики и даже физики атомного ядра.
В конце концов некоторые из фишиков стали задаваться вопросом, почему законы природы такие, какие они есть. Их сложные технологии позволили изучать воду во всех её формах – в виде льда, пара и, разумеется, жидкого состояния. Но один вопрос постоянно ставил их в тупик. Они не могли понять, почему в то время как вода может существовать в разных состояниях при разных температурах от нуля до бесконечности, температура среды их обитания как будто специально настроена в таком узком диапазоне, в котором вода существует в жидкой фазе. Они пытались привлечь для объяснения разные идеи, включая различные типы симметрии, механизм динамической релаксации и т. п. Но безуспешно.
С фишиками была тесно связана ещё одна группа исследователей, именовавших себя осетрологами, также изучавшая водный мир. Осетрологов не столько интересовали обычные глубины, на которых обитали умные рыбы, сколько вопрос о существовании верхней границы их мира. Осетрологи знали, что большая часть их водного мира непригодна для разумной жизни, потому что изменение давления смертельно для их большого мозга. Если бы они попытались подняться наверх, то из-за уменьшения давления воды их мозг мог просто взорваться изнутри. Всё, что им оставалось, – это рассуждать.
Так случилось, что в те времена существовала одна осетрологическая школа, последователи которой сформулировали весьма радикальную идею (некоторым она показалась смешной) о тонкой настройке температуры. Они назвали эту идею ихтиотропным принципом. Ихтиотропный принцип утверждал, что причина того, что температура среды их обитания находится в диапазоне, соответствующем жидкой фазе воды, в том, что только в этом случае может существовать рыба, способная сформулировать этот принцип!
"Бредятина! – возмутились фишики, – это не наука. Это религия. Просто данность. Более того, если мы согласимся с вами, другие рыбы станут над нами смеяться, а то ещё, чего доброго, лишат нас финансирования". К тому же не все осетрологи понимали под ихтиотропным принципом одно и то же. Более того, было трудно найти двух осетрологов, которые соглашались бы друг с другом. Одни считали, что смысл ихтиотропного принципа в том, что рыба-ангел создала мир с единственной целью предоставить умным рыбам место для проживания. Другие утверждали, что квантовая волновая функция Водоверсума является суперпозицией всех значений температуры, а акт наблюдения, произведённый некими предками рыб, вызвал "редукцию волновой функции".
Небольшая группа осетрологов во главе с Андреем Большеголовым и Александром Глубокодумающим придерживалась и вовсе необычной гипотезы. Они считали, что за пределами верхней границы их водного мира существует колоссальное пространство. И в этом гигантском пространстве может существовать множество других миров, в каком-то смысле аналогичных их миру, но с самыми разнообразными условиями. Некоторые миры являются невероятно горячими. Настолько горячими, что ядра водорода, который, как известно, входит в состав воды, сливаются вместе, образуя ядра гелия, и от этого становится ещё горячее. Другие миры настолько холодны, что в них может существовать даже замороженный водород. И только очень небольшая часть миров находится в диапазоне температур, допускающих развитие жизни и появление рыб. Тогда никакой загадки в тонкой настройке температуры нет. Любой рыболов знает, что большинство мест являются безрыбными, но кое-где условия оказываются благоприятными – в них-то рыба и водится.
Но фишики на это только вздыхали: "О господи, опять они со своими рыбацкими рассказами! Не обращайте на них внимания".
Конец.
Мою притчу ожидал оглушительный провал. В ходе семинара слышались громкие вздохи и стоны аудитории, и до конца вечеринки участники старались избегать меня. Тини тоже не впечатлился. Антропный принцип оказывает на большинство физиков-теоретиков такое же действие, так полный туристов джип на разъярённого слона.
Антропные Ландшафты
Всякий, кто хоть что-нибудь смыслит в астрономии, не подумает усомниться в правоте осетрологов. История науки говорит нам, что существуют ситуации, в которых антропное (или ихтиотропное) объяснение имеет смысл. Но как узнать, когда это так? К каким случаям применима антропная аргументация, а в каких она неуместна? Нам необходимы какие-то руководящие принципы.
Начнём с очевидного: антропное объяснение факта X может иметь смысл, только если есть серьёзные основания полагать, что если бы X был иным, то существование разумной жизни было бы невозможно. Для умных рыб всё понятно: слишком жарко – и мы получаем рыбный суп; слишком холодно – и у нас склад мороженой рыбы. Вайнберг привёл аналогичные рассуждения в отношении космологической постоянной.
Если задуматься об условиях, необходимых для возможности существования жизни, то Ландшафт превращается в кошмарное минное поле. Я уже рассказывал, насколько фатальной является слишком большая космологическая постоянная, но существует и множество других опасностей. Требования, предъявляемые к вселенной, можно разделить на три категории. Законы Физики должны допускать существование органических соединений; основные химические вещества должны присутствовать в достаточном количестве; эволюция вселенной должна приводить к возникновению больших, гладких и долгоживущих, пригодных для жизни поверхностей (планет) с мягкими природными условиями.
Жизнь – это химический процесс. Что-то в природе атомов заставляет их собираться в самые причудливые конфигурации: гигантские молекулы жизни – ДНК, РНК, сотни белков и прочие. Хотя химия обычно рассматривается как отдельная научная дисциплина – она имеет собственные университетские факультеты и научные журналы, – на самом деле это раздел физики, который имеет дело с внешними атомными электронами. Эти валентные электроны, прыгая туда-сюда или обобществляясь между атомами, ответственны за удивительные способности атомов соединяться в разнообразные молекулы.
Как же получается, что Законы Физики позволяют таким потрясающе сложным структурам, как ДНК, существовать длительное время, не разрушаясь при столкновении друг с другом или под действием иных внешних воздействий? В какой-то степени это просто везение.
Как мы помним из первой главы, Законы Физики начинаются со списка элементарных частиц: электронов, кварков, фотонов, нейтрино и прочих, каждая из которых обладает индивидуальными свойствами, такими как масса или электрический заряд. Никто не знает, почему список элементарных частиц именно такой или почему частицы обладают именно такими свойствами. Возможно бесконечное количество других списков, но Вселенная, содержащая в себе живых существ, представляет собой совсем не то, что можно было бы ожидать от случайного набора частиц со случайными свойствами. Удаление любой частицы из списка (электрона, кварка или фотона) и даже незначительное изменение её свойств приведёт к невозможности существования обычной химии.
Это очевидно в отношении электронов и кварков, из которых состоят атомы и атомные ядра, но, возможно, не столь очевидно в отношении фотона. Фотоны – это крошечные "пули", из которых состоит свет. Разумеется, без них мы не могли бы видеть, но ведь остаются слух и обоняние, так что, возможно, фотон не так важен, как электрон или кварки? Это большая ошибка. Фотоны являются клеем, скрепляющим атомы вместе.
Что удерживает валентные электроны на своих орбитах? Почему они не улетают прочь, говоря "Адью!" протонам и нейтронам? Ответ: сила электрического притяжения между разноимённо заряженными электронами и атомными ядрами. Электрическое притяжение отличается от притяжения между мухой и липкой лентой. Муха может быть очень крепко приклеена к липкой ленте, но раз от неё оторвавшись, даже очень лёгкая муха немедленно освободится от ленты. Муха улетит прочь и, если только она не настолько глупа, чтобы вернуться обратно, она будет полностью свободна. На физическом жаргоне силы, удерживающие муху на липкой ленте, называются короткодействующими – они не простираются на большие расстояния.
Короткодействующие силы не играют роли в удерживании электронов около ядер. Атом похож на миниатюрную Солнечную систему, и все валентные электроны похожи на наиболее удалённые от Солнца планеты, это своеобразные атомные Нептуны и Плутоны. Только силы, способные действовать на больших расстояниях, могут удержать их от "отлёта" во "внешнее пространство".
Дальнодействующие силы, способные захватить частицу на большом расстоянии, являются редкостью. Из множества различных типов сил в природе только две являются дальнодействующими. С обеими этими силами мы хорошо знакомы, и лучше всего знакомы с гравитацией. Когда мы прыгаем вверх, земная гравитация тянет нас обратно. Она простирается на сотни миллионов километров, удерживая планеты на их орбитах вокруг Солнца, и на десятки тысяч световых лет, удерживая звёзды в галактиках. Именно сила такого типа необходима, чтобы удерживать в атоме внешние электроны. Разумеется, гравитация не годится на эту роль, потому что она слишком слаба, чтобы обеспечить устойчивость атома.
Вторым знакомым нам типом сил является сила притяжения между магнитом и железной скрепкой. Магниту не нужен непосредственный контакт со скрепкой, чтобы притянуть её. Сильный магнит притягивает скрепки даже на большом расстоянии, но на электроны в атоме действует кузина магнитной силы – дальнодействующая электрическая сила между заряженными частицами. Она похожа на силу гравитационного притяжения, но гораздо сильнее. Электрическое притяжение удерживает валентные электроны в атоме так же, как гравитация удерживает Плутон в Солнечной системе.
Как уже говорилось в главе 1, электрические силы между заряженными частицами переносятся фотонами, которыми частицы обмениваются между собой. Сверхлёгкие фотоны (вспомните, что у них нет массы) способны перепрыгивать на большие расстояния, создавая дальнодействующие силы, привязывающие далёкие валентные электроны к ядру. Удалите фотон из списка частиц, и у вас не останется ничего, что удержало бы атом от распада.
Фотон – частица исключительная. Это единственная элементарная частица, помимо гравитона, не имеющая массы. Что бы произошло, если бы фотон не обладал такой исключительностью и имел массу? Теория Фейнмана говорит нам, как вычислить силу взаимодействия в случае, когда прыжки между ядрами и электронами совершают гипотетические массивные фотоны. Одним из следствий будет невозможность для тяжёлого фотона совершать далёкие прыжки. Даже если масса фотона будет составлять ничтожную часть от массы электрона, электрическое взаимодействие станет короткодействующим и не удержит далёкие валентные электроны.
Дальнодействие электрических сил не единственный фактор, важный для стабильности атомов. Сила взаимодействия также критична. Сила, удерживающая электрон в атоме, не очень велика по нашим повседневным стандартам. Она исчисляется миллиардными долями килограмм-силы. Что же определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами? И снова теория Фейнмана даёт нам ответ. Ещё один, помимо частиц, компонент фейнмановских диаграмм – вершинная диаграмма. Вспомним, что каждая вершинная диаграмма имеет числовое значение – константу связи, – и для процесса испускания и поглощения фотона такой константой связи является постоянная тонкой структуры α, равная приблизительно 1/137. Малость α является математическим обоснованием того, почему электрическое взаимодействие слабее своего ядерного коллеги.
Что бы произошло, если бы постоянная тонкой структуры превышала, скажем, единицу? Это привело бы сразу к нескольким катастрофам, одной из которых стала бы гибель атомных ядер. Ядерные силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, похожи на силу, действующую на муху со стороны липкой ленты, – они сильные и короткодействующие. Само ядро похоже на липкий шар для мух. Каждый нуклон "приклеен" к своим ближайшим соседям, но если он сумеет "отклеиться", то свободно улетит прочь.
Ядерным силам противодействует электрическая сила отталкивания. Протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга, притягивая отрицательно заряженные электроны. Нейтроны электрически нейтральны и не играют роли в балансе электрических сил. Если ядро содержит около 100 протонов, то их суммарной силы электрического отталкивания достаточно, чтобы разорвать ядро на части.
Что произойдёт, если электрические силы станут такими же сильными, как и ядерные? Очевидно, что все составные ядра станут нестабильными, поэтому электрические силы должны быть слабее ядерных, чтобы по крайней мере ядра углерода и кислорода были стабильными. Почему же постоянная тонкой структуры мала?
Этого не знает никто, но если бы она была больше, то некому было бы задавать этот вопрос.
Протоны и нейтроны больше не считаются элементарными частицами. Каждый из них состоит из трёх кварков. Существуют несколько различных типов кварков: u-кварк, d-кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Имена у них малозначащие, но различия между типами кварков очень важны. Если пробежаться по списку масс элементарных частиц, приведённому в главе 3, то можно обнаружить, что массы кварков варьируются в очень широких пределах: от порядка 10 масс электрона для u-кварка до 344 000 масс электрона для t-кварка. Долгое время физики ломали голову, почему t-кварк такой тяжёлый, но недавно пришли к пониманию, что это не t-кварк аномально тяжёлый, а u-кварк и d-кварк абсурдно лёгкие, и тот факт, что они в 20 000 раз легче, чем такие частицы, как Z-бозон и W-бозон, нуждается в объяснении. Стандартная модель такого объяснения предоставить не может.
Таким образом, мы можем задаться вопросом, на что был бы похож наш мир, если бы u-кварк и d-кварк были гораздо тяжелее. И опять ответом будет катастрофа. Протон и нейтрон состоят из u– и d-кварков (частицы, состоящие из s-, c-, b– и t-кварков, не играют никакой роли в обычной физике и химии и представляют интерес исключительно для специалистов в области высокоэнергетической физики). Согласно кварковой теории протонов и нейтронов, ядерные силы (силы, действующие между нуклонами) можно описать при помощи обмена кварками. Если кварки утяжелить, нуклонам будет труднее ими обмениваться, и ядерные силы практически исчезнут. Без сил, склеивающих нуклоны вместе, не будет атомных ядер, не будет тяжёлых элементов, соответственно не будет атомов и, как следствие, не будет химии и нас с вами. Нам в очередной раз повезло.
Вспомним теперь, что в терминах Ландшафта наша Вселенная лежит в долине, все свойства которой удивительно хорошо подогнаны для возможности нашего существования. Но средний стандартный регион Ландшафта может сильно отличаться от нашей долины. Постоянная тонкой структуры там запросто может быть больше, чем у нас, фотоны – обладать массой, кварки – быть тяжелее, и более того, электроны, фотоны или кварки могут и вовсе отсутствовать в списке элементарных частиц. Любое из этих отличий сделает наше существование невозможным.
Даже если все стандартные частицы будут присутствовать в списке, иметь "правильные" массы и взаимодействовать с "правильными" силами, этого недостаточно для существования обычной химии. Необходимо ещё, чтобы электроны были фермионами. Следствием из того факта, что электроны являются фермионами, является невозможность нахождения в одном и том же квантовом состоянии более одного электрона – свойство, необходимое для существования химии. Если на электроны не будет действовать принцип запрета Паули, то все электроны в атоме "свалятся" на самую нижнюю орбиту, откуда их будет крайне тяжело выбить. Та химия, которая царит в нашем мире, полностью определяется принципом запрета Паули. Если электроны вдруг неожиданно станут бозонами, жизнь, основанная на химических соединениях углерода, станет невозможной. Как вы видите, мир, в котором возможна известная нам химия, далеко не универсальное явление.
Физики часто используют слова в ином смысле, нежели принято в обычной жизни. Когда мы говорим, что что-то существует, мы обычно подразумеваем, что это что-то может быть обнаружено где-то во Вселенной. Например, если я скажу, что существуют чёрные дыры, вы можете спросить: "Где можно найти хотя бы одну из них?" Чёрные дыры существуют в обычном смысле: это реальные астрономические объекты, которые находятся, например, в центрах галактик. Но предположим, я сообщаю вам о существовании миниатюрных чёрных дыр размером не больше пылинки. Вы снова можете задать резонный вопрос: "Где они находятся?" На этот раз я мог бы ответить, что я не знаю ни одной такой чёрной дыры. "Стоп! – воскликнете вы. – Кончайте вешать мне лапшу на уши! Вы же только что заявили, что они существуют!"
Когда физики (особенно теоретики) говорят, что что-то существует, они имеют в виду положительный ответ на вопрос, может ли это что-то теоретически существовать. Другими словами, в их понимании этот объект существует в виде решения уравнений в их теории. Согласно этому критерию, существуют идеальные бриллианты размером в несколько сотен километров. Точно так же существуют и планеты, состоящие из чистого золота. Они могут или не могут быть реально обнаружены, но их существование разрешено законами физики.
Дальнодействующее электрическое взаимодействие и короткодействующее сильное взаимодействие между фермионами приводит к существованию сложных атомов типа углерода, кислорода или железа. Это прекрасно, но я говорю об их существовании в теоретическом смысле. "Что же необходимо, – спросите вы, – чтобы сложные атомы существовали в нашем обыденном смысле? Что нужно, чтобы эти атомы реально образовывались во Вселенной в огромных количествах?" Ответ на этот вопрос не так прост. Сложные атомные ядра не образовывались в сколько-нибудь заметных количествах при столкновениях частиц на ранней горячей стадии эволюции Вселенной.