SETI: Поиск Внеземного Разума

В этом выражении слева стоит обратная величина постоянной Хаббла, которая характеризует свойства Вселенной в целом; справа — комбинация атомных констант. Конечно, это равенство приближенное, оно удовлетворяется только по порядку величины. И все же даже такое приближенное совпадение, учитывая совершенно различный характер входящих в пего констант, — удивительно. Возникает вопрос: что это, чисто случайное совпадение, или его можно предсказать теоретически? Оказывается, для обитаемой Вселенной оно на самом деле должно иметь место.

Действительно, величина 1/Н₀ — это, так называемое, хаббловское время t_H , которое определяет современный возраст Вселенной. А величина, стоящая справа в выражении (3.1), как следует из теории внутреннего строения звезд, определяет время t_s жизни звезды на главной последовательности[175]. Значит, выражение (3.1) сводится к равенству: t_H ≈ t_s . В обираемой Вселенной такое соотношение с необходимостью должно выполняться. Действительно, если t_H < t_s , то к моменту t_H (современный возраст Вселенной) в недрах звезд не успеют образоваться тяжелые элементы, необходимые для жизни. Если же t_H > t_s то к этому моменту все ядерное горючее уже выгорит, ядсриые реакции в недрах звезд прекратятся, и они перестанут поставлял. энергию, необходимую для жизни. Следовательно, условие t_H ~ t_s , а значит, и соотношение (3.1) является необходимым для жизни.

Итак, это соотношение (как и выше рассмотренное соотношение ρ = ρ_кр) связано с современным возрастом Вселенной. Оно накладывает определенное ограничение на положение человека (наблюдателя) во временной шкале: человек, познающий Вселенную, может появиться лишь тогда, когда созревают необходимые условия, и он существует во Вселенной до тех пор, пока условия в ней допускают его существование. Если изменить значения атомных констант, соотношение (3.1) выполняться не будет и существование человека в современный момент станет невозможным.

Значения фундаментальных констант накладывает ограничение не только на положение человека во временной шкале, но и на свойства самой Вселенной.

Рассмотрим постоянную тяготения. Если изменить ее значение, это приведет к изменению внутреннего строения звезд. В § 2.1 мы видели, что значительные по толщине слои Солнца, расположенные непосредственно под его поверхностью, охвачены конвективным перемешиванием. Подобные конвективные зоны имеются и у других звезд главной последовательности с массой близкой к массе Солнца. Более массивные звезды не имеют конвективной зоны. Согласно существующим гипотезам образования звезд и планетных систем, последние возникают только у звезд, имеющих конвективную зону. Если несколько увеличить постоянную тяготения, то тогда все звезды главной последовательности представляли бы собой горячие голубые гиганты, не имеющие конвективной зоны, и следовательно, у них не могли бы возникнуть планетные системы. Более сильное гравитационное взаимодействие несовместимо с существованием планет, а значит, и с существованием человека. Надо признать, что этот вывод основан на некоторых гипотезах, справедливость которых может быть подвергнута сомнению.

Более определенное заключение вытекает из рассмотрения константы сильного взаимодействия. Если бы она была меньше наблюдаемого значения, то ядерные силы оказались бы недостаточными для того, чтобы удержать нуклоны в составе атомного ядра. В таком мире не могли бы существовать никакие химические элементы, кроме водорода. В нем отсутствовала бы химическая форма движения материи и не могла бы существовать жизнь известного нам тина.

Обратимся теперь к массам элементарных частиц. Масса электрона, выраженная в энергетических единицах, составляет 0,5 МэВ. Масса прогона и нейтрона порядка 10³ МэВ. При этом масса нейтрона на 1,3 МэВ больше массы протона. Эта разница масс Δm на 0,8 МэВ превышает массу электрона m_е , или, иными словами, сумма масс покоя электрона и протона на 0,8 МэВ меньше массы нейтрона. Это очень важное обстоятельство, оно объясняет, почему электрон в атоме водорода не вступает во взаимодействие с протоном, образуя нейтрон р + ē → n + ν. Для подобной реакции не хватает энергии. Ведь необходимо, чтобы суммарная энергия протона и электрона равнялась суммарной энергии образующихся нейтрона и нейтрино. На ускорителях, когда электрон и прогон сталкиваются с большими скоростями, эта реакция протекает весьма эффективно. Но в обычных условиях, в атоме водорода, поскольку суммарная масса покоя протона и электрона меньше массы нейтрона (но говоря уже об энергии выделяющегося нейтрино), эта реакция идти не может. Если бы масса электрона была, например, втрое больше, составляя 1,5 МэВ, то реакция могла бы идти. В том случае атом водорода не мог бы существовать, он разрушился бы примерно через 30 часов после образования. То же самое будет иметь место, если, не меняя массу электрона, изменить массу протона или нейтрона так, чтобы разность их масс Δm уменьшилась на 0,8 МэВ. Поскольку масса протона и нейтрона порядка 10³ МэВ, то достаточно ничтожного изменения масс этих частиц, на величину - 0,1 %, для того чтобы реакция стала возможной. Таким образом, если изменение постоянной сильного взаимодействия, как мы видели выше, приводит к тому, что во Вселенной не могут существовать никакие химические элементы, кроме водорода, то при незначительных изменениях массы протона и нейтрона во Вселенной не может существовать и водород. А следовательно, и все остальные химические элементы, ибо все они образуются из водорода. Конечно, в такой Вселенной не могла бы существовать и жизнь.

Итак, для существования атома водорода необходимо выполнение условия Δm > m_е . Если бы нам пришлось конструировать Вселенную, мы должны были бы считаться с этим условием. Казалось бы, удовлетворить ему не очень сложно: надо выбрать массу протона и нейтрона так, чтобы их разность (Δm = m_n — m_p) была больше массы электрона m_е . Но, с другой стороны, нельзя допустить, чтобы величина Δm была слишком большой, ибо в этом случае мы столкнемся с проблемой дейтерия.

Ядро дейтерия (тяжелого водорода) состоит из прогона и нейтрона, которые удерживаются ядерными силами. Энергия связи частиц в ядре дейтерия составляет ε_св = 2,2 МэВ. Ядерные силы препятствуют распаду нейтрона и делают ядро дейтерия стабильным. В свободном состоянии нейтрон легко распадается на протон и электрон с испусканием антинейтрино: п → р + ē + ν. Разность масс нейтрона и протона идет на образование электрона, а оставшаяся масса превращается в энергию Е движения образующихся частиц: Е = m — m_е = 0,8 МэВ. Поскольку внутри ядра дейтерия энергия связи превышает энергию движения образующихся частиц, то нейтрон не может распасться, и ядро останется стабильным. Условие стабильности ядра:

ε_св > Е = Δm — m_е , или Δm < ε_св + т_е .

Если это условие нарушается, то дейтерий не может существовать. Существенно ли это для жизни? Хотя дейтерий — очень редкий элемент, его полное отсутствие имело бы катастрофические последствия для Вселенной. Действительно, образование ядра дейтерия (дейтона) является первым звеном в цепочке ядерных реакций, ведущих от водорода к более тяжелым элементам. Если бы не было дейтерия, не было бы и этих элементов. Мы снова пришли к безжизненной чисто водородной Вселенной.