Тонкая настройка Вселенной

(«Познавательная статья из мира науки»)
Тонкая настройка Вселенной (от англ. fine-tuning) — концепция в теоретической физике, согласно которой в основе Вселенной и ряда её составляющих лежат не произвольные, а строго определённые значения фундаментальных констант, входящих в физические законы. В состав минимального списка этих фундаментальных мировых констант обычно включают скорость света (c), гравитационную постоянную (G), постоянную Планка (h), массы электрона и протона m_e, m_p и заряд электрона (e).
Замечено, что изменение значения констант в пределах порядка или исключение одного из внутренних квантовых чисел ведёт к невозможности существования атомов, звёзд и галактик[1]. В связи с этим возникают две проблемы:
• все ли константы независимы друг от друга? Если нет, их количество можно уменьшить;
• случайны ли наблюдаемые нами значения фундаментальных констант или существуют какие-то неизвестные нам законы, делающие одни значения более вероятными, чем другие?
Концепция тонкой настройки Вселенной стала обсуждаться учёными, философами и теологами в первой половине 1970-х годов, хотя её отдельные аспекты затрагивались и ранее. Причина тонкой настройки неоднозначна. Ряд учёных (Пол Дэвис, Хью Росс, Ричард Суинбёрн) полагает, что в основе существующих закономерностей лежит разумный замысел; другие (Мартин Рис, Игорь Новиков) считают тонкую настройку случайным образованием в гипотетической мультивселенной. Существуют и другие предположения — в частности, более общая теория. Философ Робин Коллинз, занимающийся вопросами взаимодействия религии и науки, предложил следующие три аспекта тонкой настройки Вселенной: настройка законов природы, настройка констант и настройка начальных условий Вселенной.
Основные аспекты
Выдвинутая Полем Дираком гипотеза об изменчивости некоторых констант послужила толчком к многочисленным экспериментальным исследованиям, которые показали с большой точностью, что признаки изменения какой-либо из констант на протяжении цикла расширения Вселенной отсутствуют (кроме постоянной тонкой структуры, постоянной Хаббла и отношения между массой электрона и протона, стабильность значений которых были подвергнуты сомнению). В 1980 году советский исследователь Иосиф Розенталь выдвинул постулат, который условно назвал принципом целесообразности. Его смысл заключался в том, что основные физические закономерности, наряду с численными значениями констант, являются не только достаточными, но и необходимыми для существования основных состояний (то есть ядер, атомов, звёзд и галактик). По мнению Розенталя, «критичность существования» основных состояний позволяет выдвинуть серьёзные аргументы в пользу принципа целесообразности. Современная проблема тонкой настройки заключается в том, почему наша Вселенная является такой, а не другой. В рамках этой проблемы утверждается, что если бы ряд параметров (как констант, так и исходных характеристик в моделях Большого Взрыва) был бы слегка иным, то не могла бы возникнуть жизнь и всё многообразие в целом. Однако вследствие существования так называемых свободных параметров наша Вселенная не может быть описана исключительно в рамках общей теории относительности и квантовой механики: такие параметры, как, например, масса протона или сила гравитации, были названы свободными, поскольку не могут быть выведены из принятой ныне теории и должны быть определены «вручную». Как считает Ник Бостром, тонкая настройка требует объяснения в той мере, в какой она соотносится с излишком свободных параметров и, в конечном счёте, с отсутствием простоты. В соответствующих предположениях часто применяется вероятностная логика и бритва Оккама.
Трёхмерность пространства
Туманность Киля, где в центральной области идёт бурное звёздообразование, при котором газ и пыль сжимаются гравитацией в плотные тёмные глобулы. Звёзды осуществляют также локальный нагрев среды, предотвращающий её охлаждение при расширении пространства.
Уравнения, описывающие гравитационное или электрическое поле точечного источника, можно легко обобщить на случай пространства с другим числом измерений и найти их решения для этого случая. Как отмечает П. Дэвис, из этих решений видно, что в пространстве с n измерениями можно обнаружить закон обратной степени n-1. В частности, в трёхмерном пространстве n-1=2 и в нём справедлив закон обратных квадратов. В 1917 году Пауль Эренфест, решая уравнение Пуассона для потенциала электромагнитных сил в n-мерном пространстве, получил обобщение закона Кулона и подтвердил более раннее предположение Канта о том, что в трёхмерном пространстве «сила действия обратно пропорциональна квадрату расстояния». Эренфест обнаружил, что орбиты теряют свою устойчивость в четырёх и более пространственных измерениях. В четырёхмерном пространстве, например, где гравитационное поле Солнца будет действовать на планеты по закону обратных кубов, планеты, двигаясь по спиральным траекториям, довольно быстро упали бы на Солнце и были бы им поглощены.
Отмечено также, что в пространствах с чётным числом измерений не могут распространяться «чистые» волны. Поскольку за волной обязательно возникают возмущения, вызывающие реверберацию, чётко сформированные сигналы нельзя передавать по, в частности, двухмерной поверхности (например, по резиновому покрытию). Анализируя этот вопрос, английский учёный Джеральд Уитроу в 1955 году заключил, что высшие формы жизни были бы невозможны в пространствах чётной размерности, поскольку живым организмам для согласованных действий необходимы эффективная передача и обработка информации. В 1963 году было показано, что при числе измерений больше трёх атомные орбитали вокруг атомных ядер станут нестабильными и электроны либо упадут в атомное ядро, либо рассеются.