Тонкая настройка Вселенной часть 1

Часть 1.     Тонкая настройка фундаментальных физических констант.


В седьмой части, предложенной заинтересованным читателям серии «Интеллектуальный Космос», автором в кратком варианте упоминалось такое в некотором смысле привлекательное с музыкальным оттенком словосочетание как «Тонкая настройка Вселенной». Впрочем, и само по себе слово «настройка», будучи цельно смысловым, не только обращает на себя особое внимание, но и открыто намекает на участие в сокрытых небесных делах заинтересованного, но невидимого Настройщика.
И тут, против воли, возникает странное ощущение, что существует где-то в глубине Космоса нечто таинственное и не доступное человеческому разуму для понимания многих смыслов, Творение жизни. Однако себялюбивое и заносчивое в своей гордыне человечество не способное принять творный мир в своем естестве, перекраивает его на свой лад, ведя к погибели.
И что?
Разве не стоит окунуться в эту тему поглубже?
Разве не интересно, как этот творный мир создается?
Каких усилий стоит?
Сколько сил, связей, взаимодействий и систем запущено в действие, чтобы человеческая жизнь зародилась на Земле!
Разве не любопытно?
Итак, начнем с начала.

***
«Тонкая настройка Вселенной» — это основополагающая научная концепция в теоретической физике, согласно которой фундамент Вселенной составляют не произвольные, а строго определенные значения фундаментальных констант. Однако при этом надо иметь в виду, что фундаментальные константы в настоящее время существуют не только в физике, но и в других науках.
Однако, поскольку физика – это наука, которая не только изучает устройство окружающего нас мир и объясняет какие процессы в нем происходят, но и описывает наиболее общие законы природы, которые лежат в основе естествознания, то именно с нее или вернее с фундаментальных физических констант и следует начинать.
Фундаментальные физические константы (физические постоянные, мировые постоянные, фундаментальные постоянные) – есть постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие физические законы природы и свойства материи. Произрастают такие фундаментальные постоянные исключительно в теоретических моделях тех или иных наблюдаемых явлений, а проявляются в виде универсальных коэффициентов, которые затем участвуют в соответствующих математических уравнениях в численных (числовых) выражениях.
Само слово «фундаментальный» присутствует в этой истории не случайно. Как известно, оно образовано от коренного слова «фундамент» латинского происхождения, которое означает надежную строительную конструкцию, несущую на своих плечах все основные нагрузки. Так происходит и в физике постоянных констант, которые не только тонко между собой сбалансированы, но и удерживают весь мир в стабильном равновесии. Достаточно самого малого, самого незначительного отклонения этих величин от существующих параметров и жизнь на Земле окажется непригодной для дальнейшего существования ни в каком ином образе.

 ***

В 1969 году в мире по вопросам, связанным с фундаментальными константами, была учреждена группа CODATA, в обязанности которой входила одна единственная миссия – периодически международно публиковать коллективно принятый набор значений фундаментальных физических констант и коэффициентов. Первый набор таких значений был опубликован в 1973 году, а последний и актуальный – в 1922 году. По прогнозам, следующая публикация ожидается в 2028 году.
В этот набор входят следующие Основные постоянные. Их всего шесть! Но существует немало и других постоянных, которые в том или ином качестве являются производными от Основных:
- скорость света в вакууме
- гравитационная постоянная
- постоянная Планка (элементарный квант действия)
- постоянная Дирака
- элементарный минимальный положительный электрический заряд (е)
- постоянная Больцмана

Олаф Кристенсен Ремер (1644-1710г.) – датский астроном, первым измеривший скорость света. Ремер родился в семье купца. Окончил Копенгагенский университет. Периодически наблюдая изменение периодов обращения спутника Юпитера – Ио, Ремер определил, что свет распространяется со скоростью около 227 тыс. км/с. Случилось это открытие в 1676 году.

Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (1858-1947г.) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1913 года, член Прусской академии наук, ряда иностранных научных обществ и академий наук. На протяжении многих лет один из руководителей немецкой науки. Научные труды Планка посвящены термодинамике, квантовой теории, специальной теории относительности, оптике, теории теплового излучения.
Постоянная Макса Планка (квант действия) связывает величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Она была введена в практику в 1900 году. С тех самых пор обозначается символом (h) и фигурирует во всех уравнениях и формулах квантовой механики.

Дирак Поль Адриан Морис (1902-1984г.) – британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года. Член Лондонского королевского общества, а также ряда академий наук мира, в том числе член Папской академии наук, иностранный член Академии наук СССР, Национальной академии наук США и Французской академии наук.
Работы Дирака посвящены квантовой физике, теории элементарных частиц, общей теории относительности, общей теории преобразований, квантовой электродинамики и квантовой теории поля.
Постоянная Дирака является приведенной постоянной Планка. Она обозначается тем же самым символом (h), перечеркнутым в верхней его части, и используется в волновой квантовой механике. Главный смысл ее использования заключается в упрощении уравнений квантовой механики, в которых используется математический символ 2п. При использовании постоянной Дирака этот загромождающий уравнения множитель или делитель пропадает, упрощая уравнения и одновременно представляя их в удобной форме.

Шарль Огюст де Кулон (1736 – 1806г.) – французский военный инженер, исследователь электромагнитных и механических явлений, член Парижской академии наук. Его именем названа единица электрического заряда и закон взаимодействия электрических зарядов. Закон Кулона был открыт в 1785 году. Тогда впервые в употребление был введен термин «точечный электрический заряд» и был установлен закон, описывающий силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами в вакууме. Суть закона сводилась к следующему – если оба заряда имеют одинаковые знаки, то есть оба положительные или оба отрицательные, то они отталкиваются. Если заряды имеют разные знаки, то они притягиваются. В международной системе единиц (СИ) единица измерения электрического заряда названа в честь Кулона (Кл). Нужно ли объяснять, что открытие Кулона опередило время и явилось фундаментом для дальнейшего развития науки в этой области.

Людвиг Больцман (1844-1906г.) – австрийский физик-теоретик, основатель статической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Венской Императорской академии наук, иностранный член Лондонского королевского общества, член-корреспондент Петербургской академии наук, Парижской академии наук и ряда других.
Постоянная Больцмана – это физическая константа, которая обозначается символом (k) и определяет связь между температурой и энергией. Иными словами, постоянная Больцмана это коэффициент пропорциональности, который вырос из молекулярно-кинетической теории газов, объединяющей движение атомов и молекул с одной стороны со свойствами материи (температура, давление и т.д.) с другой. В более крупном аспекте постоянная Больцмана связывает характеристики микромира (движение молекул) с характеристиками макромира (показание термометра).

***

Если двигаться в этом направлении дальше, то трудно ни заметить, что значение фундаментальных постоянных в системе международных единиц не однозначно. Так, например, фундаментальные физические постоянные, которые чаще других находятся на слуху – это скорость света (c) или, иными словами, максимально возможная скорость движения в нашей Вселенной и постоянная Планка (h) – основная константа квантовой теории, отделяющая квантовый мир от классического.
Когда то, известный советский физик-теоретик  Л.Д.Ландау (1908-1968г.) основатель научной школы, академик АН СССР, лауреат Нобелевской премии по физике 1962 года, один из крупнейших физиков ХХ века, лауреат медали имени Макса Планка, премии Фрица Лондона, Ленинской премии, трех Сталинских премий и одновременно иностранный член шести иностранных академий наук  включил в тройку по-настоящему универсальных констант, кроме постоянной Планка и скорости света, еще и гравитационную постоянную.
Однако не все в фундаментальных константах так явно и просто для того, чтобы однозначно выказать их значение.
Если сравнить скорость звука в различных средах со скоростью света, то несмотря на то, что скорость звука является вполне самодостаточной константой, обладающей, как и положено константе, неизменностью и которая отвечает за большое количество явлений в нашем мире, область ее применения, тем не менее, весьма ограничена.
И это в то время, когда скорость света, отвечающая за распространения всех полей в природе – электромагнитного, гравитационного и других, а вместе с тем и абсолютно всех частиц, охватывает всеобъемлющее пространство. Естественно, что она занимает первую позицию и считается среди констант наиболее фундаментальной. Так скорость света или максимально возможная скорость движения во Вселенной составляет около 300 тыс. км/с.
То же самое справедливо и для постоянной Планка, которая задействована во всех физических системах квантовой механики. И это при том, что ее математическое значение настолько мало, что оно не только не умещается в человеческом сознании, но и не оставляет возможности представить, сколько в ней нулей. То есть, постоянная Планка – это самый маленький из всех возможных, масштаб пространства. Однако надо иметь в виду, что постоянная Планка измеряет не масштаб длины, а масштаб действия.

***

Однако, то, что касается соблазна создать Единую теорию поля, о которой не раз упоминалось в серии «Интеллектуальный космос», причем за счет соединения трех величин  – самой постоянной Планка, скорости света и гравитационной постоянной, то единственное, что в данном случае  остается – это признать, что ничего из этой затеи не вяжется в единый узел.
Да, идея единой теории поля приходила в голову многим ученым на протяжении долгого ХХ века. Особенно упорствовал в решении этой неразрешимой по сегодняшним меркам проблеме гениальный Альберт Эйнштейн. Но в конечном итоге сдался и оставил эту задачу не завершенной. То есть, иными словами, все предпринятые им попытки объединить гравитацию, в переводе с латинского означает «тяжелый», с квантовой механикой или видимый материальный мир с невидимым миром бесконечно малых элементарных величин оказались тщетными.
Почему?
Потому что, если речь идет о постоянной Планка и скорости света, которые управляют большеразмерными теориями, такими как теория относительности и квантовая механика, то гравитационная постоянная — это всего лишь характеристика конкретного взаимодействия. И в отличие от таких констант, как скорость света или постоянная Планка, которые имеют всеобъемлющий вселенский масштаб, гравитационная постоянная находится в пределах лишь научного масштаба. Если говорить просто и понятным языком, то гравитация – это самая яркая представительница классической школы или классической механики, а скорость света и постоянная Планка – это представители новой школы или квантовой механики. Кстати, термин «квант» впервые был введен Максом Планком в его первой работе по квантовой теории в 1900 году, так сказать на заре новой эры в физике элементарных частиц.
Однако интерес к данному взаимодействию все время остается на плаву, и физики с завидным упорством продолжают исследования в этой области, выдвигая все новые и новые, более сложные математические модели. Последней из которых в квантовой теории поля является Теория струн. Она не раз упоминается в серии «Интеллектуальный космос». Но вместе с тем продолжается и поиск новой, крайне необходимой константы соразмерной с возможностями скорости света и постоянной Планка. Вот только будет ли она в конце концов найдена, вопрос не простой. А пока, по сию пору ученый мир довольствуется гипотетической константой, то есть не найденной физической фундаментальной постоянной, которая опять же гипотетически имеет вселенский размер.
И что в итоге?
А в итоге получается, что ничто в «Тонкой настройке Вселенной» не случайно, а строго выверено. При всем при этом экспериментальные исследования показали, что признаков изменения какой-либо из констант на протяжении полного цикла расширения Вселенной, а это, как известно, примерно 14 миллиардов лет, за всю ее историю не выявлено.
Но это вовсе не значит, что среди ученых нет таких, кто активно сомневается в достоверности концепции тонкой настройки. И более того, никуда не деться от вопроса, который волнует всех: - Как долго фундаментальные физические константы будут оставаться постоянными? И это первый вопрос! А второй: – Какие тайные силы или какой невидимый Настройщик сохраняет мир таким, в котором мы живем, к которому привыкли и прикипели душой?
И последнее!
Разве возможно смириться с мыслью, что такие тонкие, сложные и критически необходимые для жизни настройки, как фундаментальные физические константы, возникали в открытом космическом пространстве сами по себе, без участия интеллектуального Настройщика, в каком бы образе он себя ни проявлял?
Досужие рассуждения на эту тему предполагаются в части 3.