Удачные совпадения, связанные с формой планетных орбит, массой Солнца и т. д., называются совпадениями внешней среды, поскольку они проистекают из интуитивной прозорливости окружающего нас мира, а не из счастливой случайности, связанной с фундаментальными законами природы. Возраст Вселенной тоже фактор, относящийся к внешней среде, поскольку в истории Вселенной было более раннее и будет более позднее время, но мы должны жить в нынешнюю эру, поскольку это единственная эра, способствующая жизни. Совпадения внешней среды легко понять, так как место нашего обитания лишь одно среди многих, имеющихся во Вселенной, и мы, очевидно, должны существовать в таком, которое способствует поддержанию жизни.
Слабый антропный принцип не вызывает особых споров. Но есть более сильная форма, которую мы здесь обсудим, хотя некоторые физики относятся к ней с пренебрежением. Сильный антропный принцип предполагает, что сам факт нашего существования налагает ограничения не только на нашу окружающую среду, но и на возможные форму и содержание самих законов природы. Такая идея возникла оттого, что для развития человеческой жизни удивительно подошли не только особые характеристики нашей Солнечной системы, но также и характеристики всей нашей Вселенной, а это объяснить уже гораздо труднее.
Повествование о том, как изначальная Вселенная, состоявшая из водорода, гелия и небольшого количества лития, развилась во Вселенную, давшую приют по крайней мере одному — нашему — миру с разумной жизнью, представляет собой историю из многих глав. Как мы уже говорили, природные силы должны были быть такими, чтобы более тяжелые химические элементы, особенно углерод, могли производиться из первичных элементов и оставаться стабильными по крайней мере миллиарды лет. Эти тяжелые элементы были созданы в печах, которые мы называем звездами, следовательно, природные силы должны были позволить сначала сформироваться звездам и галактикам. Они выросли из семян крохотных неоднородностей в ранней Вселенной, которая была почти полностью однородна, но, к счастью, в ней имелись отклонения в плотности (примерно 1 частица на 100 000). Однако существования звезд и наличия внутри них тех химических элементов, из которых мы сделаны, недостаточно. Движущие силы внутри звезд должны были быть таковы, чтобы некоторые из звезд в конце концов взорвались, — более того, взорвались именно так, чтобы разбросать более тяжелые элементы по широкому пространству. Вдобавок законы природы должны были обеспечить, чтобы эти остатки смогли еще раз сконденсироваться в новое поколение звезд, окруженных планетами, вобравшими в себя эти заново созданные тяжелые элементы. Так же, как определенные события на ранней Земле должны были произойти в том порядке, который позволил бы развиться нам, должно было быть и в каждом звене этой цепи, необходимой для нашего существования. Но события, которые привели к развитию Вселенной, управлялись балансом фундаментальных природных взаимодействий, слаженность которых должна была быть именно такой, чтобы мы могли существовать.
Британский астроном Фред Хойл (1915–2001) стал одним из первых, кто в 1950-х годах осознал, что здесь не обошлось без изрядной доли счастливой случайности. Хойл полагал, что все химические элементы первоначально образовались из водорода, который, как он считал, и представляет собой исходную субстанцию. Атом водорода имеет простейшее ядро, которое состоит лишь из одного протона — либо одиночного, либо в сочетании с одним или двумя нейтронами. (Различные формы водородного или любого другого атомного ядра, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами.) Сегодня мы знаем, что гелий и литий, атомные ядра которых содержат два и три протона соответственно, тоже были изначально синтезированы в очень малых количествах, когда возраст Вселенной был около 200 секунд. Однако жизнь зависит от более сложных химических элементов, самый важный из которых — углерод, основа всей органической химии.
Можно, конечно, причислить к «живым» организмам умные компьютеры, сделанные из других элементов, таких как кремний, но сомнительно, чтобы жизнь могла самопроизвольно развиться, если бы отсутствовал углерод. Причины этого технические, но имеют отношение к уникальному способу, которым углерод соединяется с другими химическими элементами. Например, диоксид углерода СO2 при комнатной температуре представляет собой углекислый газ, весьма полезный для биологических процессов. Кремний — это элемент, расположенный в Периодической таблице химических элементов непосредственно под углеродом, поэтому он имеет сходные химические свойства. Однако диоксид кремния SiO2, кварц, гораздо полезнее в коллекции минералов, чем в легких живых организмов. И все-таки, возможно, могли бы появиться какие-то формы жизни, которые питались бы кремнием и ритмично виляли бы хвостами в лужах жидкого аммиака. Но даже такой тип экзотической жизни не мог развиться из одних лишь первоначальных элементов, поскольку из них возможно формирование только двух устойчивых соединений — гидрида лития LiH (бесцветное твердое кристаллическое вещество) и газообразного водорода Н2, — которые не способны не только ничего произвести, но даже влюбиться. Так что факт остается фактом: мы представляем собой углеродную форму жизни, и это порождает вопрос: откуда взялся углерод, в атомных ядрах которого шесть протонов, а также прочие тяжелые химические элементы, составляющие наше тело?
Первый шаг к появлению этих элементов был сделан, когда более старые звезды начали накапливать гелий, получающийся при столкновении двух водородных ядер и происходящем затем их слиянии друг с другом. Это совершается в недрах звезд, и таким образом создается энергия, которая нас согревает. Два атома гелия, в свою очередь, тоже могут столкнуться и образовать атом бериллия с четырьмя протонами в ядре. Когда же появился бериллий, он вполне мог бы слиться с третьим ядром гелия, создав углерод. Но этого не происходит, так как получившийся изотоп бериллия почти сразу же снова распадается на два ядра гелия.
Картина меняется, когда у звезды начинает заканчиваться водород. Когда это происходит, ядро звезды сжимается до тех пор, пока температура в его центре не достигнет примерно ста миллионов градусов Кельвина. При этих условиях ядра атомов сталкиваются друг с другом столь часто, что некоторые ядра бериллия, еще не успев распасться, встречаются с ядрами гелия. Тогда бериллий может слиться с гелием и образовать стабильный изотоп углерода. Но этому углероду предстоит еще долгий путь, чтобы сформировать упорядоченные структуры химических соединений такого типа, которые могли бы наслаждаться бокалом бордо, жонглировать горящими факелами или задаваться вопросами о Вселенной. Для существования таких созданий, как люди, углерод должен переместиться из недр звезд в более благоприятные места. Это происходит, как мы уже сказали, когда звезда в конце своего жизненного цикла взрывается как сверхновая, выбрасывая углерод и другие тяжелые элементы, которые потом конденсируются в планеты.
Этот процесс создания углерода называется тройным альфа-процессом (или тройной гелиевой реакцией), поскольку альфа-частица — другое название ядра изотопа гелия, участвующего в этом процессе, а для того чтобы реакция произошла, требуется слияние трех из них. В соответствии с обычной физикой скорость образования углерода в тройном альфа-процессе должна быть очень низкой. Отмечая это, в 1952 году Хойл предсказал, что суммарная энергия бериллия и ядра гелия должна быть почти в точности равна энергии определенного квантового состояния образовавшегося изотопа углерода. Такое явление, называемое ядерным резонансом, многократно ускоряет процесс ядерной реакции. В то время подобный уровень энергии был неизвестен, но, основываясь на предположении Хойла, американский астрофизик Уильям Фаулер (1911–1995) из Калифорнийского технологического института стал искать и нашел его, обеспечив важную поддержку взглядам Хойла на то, как были созданы сложные ядра.
Хойл писал: «Я не верю, что любой ученый, исследующий факты, будет не в состоянии сделать вывод о том, что законы ядерной физики были сознательно разработаны применительно к последствиям того, что они вызывают внутри звезд». В то время никто не знал ядерную физику достаточно хорошо, для того чтобы понять, сколь велика была интуитивная прозорливость, приведшая к этим точным физическим законам. Но исследуя правомерность сильного антропного принципа, физики в последние годы начали задаваться вопросом, как выглядела бы Вселенная, если бы законы природы были иными. Сегодня мы можем создать компьютерные модели, которые говорят нам о зависимости скорости тройного альфа-процесса от величины фундаментальных взаимодействий (сил) в природе. Такие вычисления показывают, что при изменении величины сильного ядерного взаимодействия всего на 0,5 % или электромагнитной силы на 4 % во всех звездах был бы разрушен почти весь углерод либо же весь кислород, а следовательно, утратилась бы возможность возникновения жизни в том виде, какой известен нам. Измените законы нашей Вселенной лишь на самую малость, и условия для нашего существования пропадут!
